Voici des plans des leçons de chimie organique pour les oraux de la

Voici des plans des leçons de chimie organique pour les oraux de la
session de l'agrégation de chimie 2012-2013.
Ces plans ont été travaillés par Eloïse et moi. Généralement, ils ont été
écrits d'après les propositions faites aux cours des présentations durant
l'année et sont très souvent le fruit de réflexions communes de différentes
personnes de la promotion durant les longues soirées de travail de
l'année^^. Et puis, vous retrouverez parfois de grandes ressemblances
avec les plans des années précédentes, ils étaient bien, n'est-ce pas ? ;-)
Je n'ai pas tout relu après avoir passé les oraux, il y a donc sûrement
encore des fautes de frappe, d'orthographe et de grammaire, parfois même
sûrement de références biblio, et (j'espère pas mais peut-être) des erreurs
scientifiques, du coup gardez des précautions vis-à-vis de ces plans.
De plus dans les références, il y a parfois des numéros après les BUP qui
font références aux pages du BUP cité dans la biblio même si il n'y a pas
de p. devant.
Bon courage !
Voilà donc merci à :
Nils ARONSSOHN
Pierrick BERRUYER
Benjamin BOUSQUET
Céline CAILLETEAU
Fabien CARON
Estelle GODART
Arthur MARAIS
Antoine MEUNIER
Mathilde NIOCEL
Romain REOCREUX
Thomas ROSSI
Lyvie ROUSSI
Arnaud TALEWEE
Eloïse THOMAS
Maëlle
LO 1 : Polymères vinyliques et polydiènes :
synthèses, propriétés et applications (étude cinétique exclue)
Transition : Macromolécules : longues chaines, mais caractère aléatoire de la
polymérisation => elles n’ont pas toutes la même longueur => comment caractériser un
polymère ? Gnanou
Tous les exemples avec applications et chiffres sont dans le Gnanou à la fin. Les
températures de Tg des polymères Halaray p. 218, Clayden , ICO
Définition au tableau : degré de polymérisation,
Graphe sur transparent, défintion de différentes masses molaires : masse molaire
moyenne en nombre et masse. Définition : indice de polymolécularité Ip au tableau
(>=1) HP p.691-693, Gnanou
(Remarques : Mviscosité ne peut pas être définie avec autant de rigueur car issue d’une
relation empirique : relation de Mark-Houwink Gnanou.)
Méthode de mesure de Mw (diffusion de la lumière, sédimentation, ultracentrifugation,
perméation sur gel) et Mn (tonométrie, ébulliométrie, cryométrie, osmométrie,
titrages)Tout en un p. 877
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
réactions de base en chimie organique, notion de stéréochimie,
contrôle thermodynamique/cinétique, notions sur synthèse peptidique,
module d'Young (physique)
Tout-en-un PC, Halary,-Lauprêtre, Hprépa PC, Fontanille-Gnanou,
Grécias jaune et bleu organique, OCP 9, Frajman, ICO, Clayden, BUP
888
Introduction :
Polymère partout autour de nous, donner des exemples! Alimentaire (gélifiant,
épaississant), ...
Etymologie du mot polymère- Polymère naturel cf.caoutchouc- Staudinger 1920 =
concept de macromolécule.
Production volumique mondiale supérieure à celle de l’acier. Donner chiffres.
Exemples Tout-en-un p 855 + Halary p19
But de la leçon : comprendre le lien entre la stucture, les propriétés et les
applications des polymères (qui seront présentées tout au long de la leçon).
I. Présentation
(15' max)
1) Définitions
Définition polymère au tableau, macromolécule sur transparent, HP p.690
Définition et différence monomère (réactif)/motif (unité de répétition) Exemple : PVC
(polychlorure de vinyle), donner son utilisation sur transparent HP p.690 + Tout-en-un
p.861
Existe différents types : naturels, artificiel, synthétiques Gnanou p.6 + exemples HP
p.691-692.
Dans cette leçon, on se restreint aux polymères vinyliques et aux polydiènes.
Polymère vinylique = répétition d’un monomère vinylique (CH2=CHZ) + exemple et
applications Gnanou p 472 + HP
Polydiène = polymère issu de la répétition d’un monomère comportant 2 double liaisons
+ exemple et applications. Gnanou p 465 + HP
Montrer polymère et monomères.
2) Taille des chaînes polymères
Transition : On a dit que macromolécules = enchaînement de motifs et polymère
ensemble de macromolécules. Mais comment peut-on vraiment décrire la structure ?
3) Structures
(suivre le plan du Gnanou)
Le terme structure pour les polymères peut se rapporter à l’enchaînement d’atomes, à
celui des unités monomères, à la chaine dans son ensemble, à un ensemble + ou – grand
de chaînes. Donc description à différents niveaux Gnanou p.19
* Dimensionnalité (au tableau) : linéaires (=chaînes), ramifiés ou branchés (=points de
jonction le long des chaînes à partir desquelles se déploient des chaines latérales),
réticulés (structure 3D : transparent) -> exemple de la vulcanisation du caoutchouc,
polybutadiène Tout en un p.871, aussi Van der Waals ou liaison H=> propriétés
différentes des polymères.
* Enchainements des motifs :
- homopolymères : définition (= un seul motif), enchainement tête à queue et tête à tête
(schéma sur transparent, on désigne tête et queue). HP p.713
- copolymères : définition (=plusieurs motifs) + exemple HP p.715 => on n’en parlera
pas plus aujourd’hui.
* Configurations (tacticité : définition, isomérie géométrique, présence d'un carbone
assymétrique ou d'une double liaison)) : HP p.717 représentations des motifs sur
transparent
* Conformation : flexible (pelote statistique : repliement de la chaîne sur elle-même),
rigide (zig-zag), hélice : Frajman HP.
Transition : Pourquoi des structures si différentes ?
II. Synthèses de polymères vinyliques et polydiènes
(15')
Les polymères organiques sont obtenus à plus de 85 % par des polymérisations en chaîne
(que vous avez déjà rencontré) = Croissance par addition du monomère à l’extrémité de
la chaîne en croissance.
Ils existent plusieurs façons de mettre en place cette polymérisation : radicalaire,
anionique, cationique, par coordination. Frajman
1) Polymérisation radicalaire
Importante d'un point de vue industrielle.
Exemples : PS et PVC (seule méthode pour le préparer) (voir chiffres du Gnanou p.472476)
Mécanisme au tableau sur le PS en détaillant les grandes étapes (amorçage, transfert,
propagation, terminaison : transparent) et explication régiosélectivité, remarque :
enchaînement tête- à-queue HP p.702 + Frajman p.384
Transferts et créations de ramifications, ajout des flèches sur transparent HP p.704
Conséquences sur la structure => réticulation.
Tableau de caractérisations récapitulatif. HP p.712
Transition : Plein de ramification, chaînes de longueur très différentes mais il existe un
autre mode de synthèse permettant d’avoir d’autres caractéristiques.
2) Polymérisation anionique
Monomères concernés, doivent pouvoir stabiliser les anions HP p.708
Mécanisme sur le PS sur transparent. Transferts => polymère vivant HP
Caractéristiques en comparaison avec la radicalaire Tableau HP p.712
Exemple d’application : difficulté de mise en pratique (pureté des monomères… mais
utilisation en industrie croissante) + polymérisation anionique de l’isoprène ICO p.251
(diènes et polyènes)
Transition : Pas stéréosélective. D’où autres méthodes.
3) Polymérisation cationique et coordinative
(ne pas faire cationique si pas le temps, aller vite)
Grecias jaune chimie orga+ Gnanou
*Cationique : seulement pour l’isobutène. Principe, enchainement tête à queue et
applications (ruban adhésifs)
*Ziegler-Natta (PN 1963) : TiCl4, Al(C2H5)3 ; polymères stéréoréguliers qui présentent
des propriétés mécaniques bien supérieurs à celles des polymères atactiques. Grécias jb
p.279
Ex : PB cis avec Z-N à 95% Gnanou
Ex : PE parfaitement linéaire, conditions très douces (PEBP ; P=1 à 10bar, T<100°C).
Mais forte polymolécularité (3 à 30). A comparer avec PEHP, conditions radicalaires.
Tableau comparatif Halary p. 59 )
Si pas le temps, le mettre en remarque du II.2)
Transition : On a vu la théorie de ces mécanismes, comment on les met en pratique ?
4) Procédés industriels
Sur transparent : masse, en solution, en suspension, en émulsion Gnanou p 268-290,
Grécias jaune p 281, Tout-en-un p 936
Application : résine échangeuse d’ions synthétisés en émulsion (copolymère) ! Clayden
Transition : Nous venons de voir que suivant le type de synthèse, on impose une certaine
structure : ramifiés avec radicalaires, non ramifiés avec anionique, voire stéréoréguliers
avec Ziegler-Natta. Comment savoir quelle voie choisir ? Tout dépend des propriétés que
l’on cherche à obtenir. En effet, nous allons voir que les propriétés du matériau
dépendent étroitement de la structure de cette macromolécule.
III. Propriétés et applications
(20')
1) Etat physique des polymères
On a déjà vu différents états physiques. Ex : pour l'eau : solide, liquide, gazeux.
Polymères vont être un peu originaux.
Pas de polymère à l’état gazeux et au sein de liquide et solide, température de
changement d'état peu marqués
Différents types de polymères : thermodurcissable, thermoplastique (ceux qui vont nous
intéresser)
Influence de la température sur chacun des deux types.
Différents états pour le polymères : cristallin, amorphe
Que se passe-t-il quand on chauffe? Différence entre cristallin et amorphe. Définition de
Tg et Tf au tableau. Halary p 218, Frajman p 374
Mais un polymère n'est jamais ni parfaitement amorphe, ni parfaitement cristallin =>
définition du taux de cristallinité : Xc. Tout en un p.885
Exemple PE haute densité/basse densité. Dépend de réticulation, liaison hydrogène.
Température de transition vitreuse qui va être importane pour choisir l'application du
polymère : ex : polystyrène, polypropylène, caoutchouc.
(- Cohésion d’un polymère : dépend surtout de l’intensité des interactions intermoléculaires : si
chaines linéaires sont fortes, si ramifications liaisons intermoléculaires faibles. Grecias jaune
p.280, Gnanou p359, HP
- Etat cristallin et amorphe =>taux de cristallinité (xc)
Etat cristallin favorisé par empilement régulier des chaines (Interactions de London) xc élevé
Exemples de xc pour PE basse et haute densité ainsi que leurs utilisations Ex : PEHD >0,8 et
PEBD entre 0,3 et 0,5 ! PEHD possède des chaînes très peu ramifiées capables de s’associer de
manière compacte, le PED possède de nombreuses ramifications (20 à 30 pour 1000 atomes) qui
limitent la possibilité de repliement compact. Gnanou
-Que se passe-t-il avec T ?
Thermoplastique et thermodurcissables (ceux auxquelles on s’intéresse ensuite). Exemples +
applications.
Etat caoutchouteux ou élastomère
Températures de transition vitreuse et de fusion 
-Récapitulatif : diagramme pour récapituler les différents états et les températures de transition.
Rq : les transitions n’ont pas lieu à une température précise du fait de la dispersion des masses
molaires dans le polymère. HP
-Facteurs influençant Tg Frajman, Tout –en-un p 891 ex du PMMA iso et syndiotactique Halary
p.218 => selon la structure pas mm ptés ! et structure dpd de la synthèse !
-Exemple de Tg et utilisation HP)
Transition : Quelles propriétés mécaniques présentent ces états et comment sont-elles
utilisées par les industriels?
2) Propriétés mécaniques
HP p 728, Frajman p 378, Tout-en-un p 896
Résistance à la traction => Module de Young *transparent courbe σ=f(E) , pour les 3
grdes classes de matériaux (élastomère, plastiques rigides, plastiques mous) et E=f(T)
pour taux de cristallinité différent*
Exemple de différence de module d’élasticité pour les différents PE => importance du
mode de polymérisation. Gnanou p.460 (pas faire si pas le temps)
ICO p.685 : synthèse supporté d’un polypeptide. On veut synthétiser un polypeptide.
Depuis Merrifield : synthèse supporté, i.e. on greffe la chaine sur un polymère et
croissance => facilitation de purification etc… Pour que cela se passe dans de bonnes
conditions on a besoin que la résine ait certaines caractéristiques, notamment doit être
insoluble, solide (donc en dessous de Tg qui vaut environ 100°C), résistante. Résistance
à l’écrasement croit avec réticulation, donc on a envie de réticulations =>
copolymérisation avec un réactif bifonctionnel. Mais si trop de réticulation on diminue
l’accessibilité aux sites électrophiles => donc compromis à faire. + OCP 7 p.67
3) Solubilité et gonflement
Frajman p 382, HP p 735, Tout-en-un p 895
Effet bon/mauvais solvant sur pelote de polymère *transparent* PS expansé, hydrogels
(ex super-absorbants)
Retour sur l’exemple de la synthèse d’un polypeptide : Vollhardt p.1175 : on explique
pourquoi il ne fallait pas trop de réticulation, il faut que le polymère puisse bien gonfler
pour que la diffusion des réactifs se fasse correctement.
Procédé à présent automatisé.
+ alternative de Sheppard, changement de support solide OCP 9 p.75
Conclusion :
Bilan : schéma-lien entre mode de polymérisation, la structure et propriétés. Faire
attention à toutes les étapes. De nos jours : copolymères, fonctionnalisation…
Synthèse sur support solide : grande utilisation de nos jours : ex de l’ICO p.524 :
couplage de Stille, avantage l’iodure organométallique reste fixée donc purification
facile, bien car toxique donc il vaut éliminer toutes traces.
Pendant longtemps, les propriétés de durabilité et de résistance à la dégradation des
matériaux polymères, ont été considérées comme prioritaires, on s’intéresse maintenant
de très près aux possibilités d’éliminer les déchets polymères en développant des
recherches sur les matériaux (bio)dégradables ou compostables.
LO 2 : Utilisation des métaux de transition
en chimie organique
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L3
Base de chimie organique (oxydoréduction), Chimie de coordination,
cycle catalytique, formalisme de Green, Stéréochimie
Clayden, Brückner, Astruc, ICO, Rabasso, Campagne, Steinborn,
(Housecroft), Kaim, Metals in Life…
Introduction :
Définition des métaux de transition (np vide (n-1)d partiellement remplie) (np vide (n1)d partiellement remplie) T Astruc
Variété de paramètres que l’on peut faire varier en comparaison de chimie classiq (métal,
pH, DO, taille, effets des ligands…)
=> importance en synthèse organique, industrie…
I. Oxydation par les métaux de transition
1) En quantité stoechiométrique
a) oxydation des alcools
ICO chap alcool + Brückner p.496
* Réactif de Jones : CrO3 dans l’eau. Il s’hydrate en CrO4H2 = CrO4H- + H+.
Mécanisme (principales étapes) d’abstraction du proton. Formation d’une C=O. Noter
les DO du chrome.
Obtention de l’acide carboxylique pour les alcools primaires. T
(remarque ne pas détailler tout le devenir du chrome)
Ex des éthylotests.
* Comment avoir l’aldéhyde ? Ne pas travailler dans l’eau. Présentation des réactifs de
Sarett, Collins, PCC, PDC T
T : ICO p 409 ex 8 (malgré la légère acidité de PCC, l’acétal est maintenu !).
Transition : ICO ex 10 : on a oxydé l’alcool mais pas l’alcène (chimiosélectivité), et si
on voulait oxyder l’alcène ?
b) Oxydation des alcènes
ICO
KMnO4 : bien détailler (énantiomères…) attention au mécanisme voir JD p.209
OsO4
KMnO4 DO=VII très bon oxydant … trop bon oxydant.
T : couples de Mn à prendre en compte en conditions acides VS basiques. E°’. ICO
p208.
Bernard-Busnot ou diagramme de Pourbaix pour montrer que – oxydant en milieu
basique.
On utilise donc KMnO4 en conditions basiques, sous forme diluée, à basse température
Mécanisme : faire la syn addition (remarque : intermédiaire jamais isolé), puis dire que
hydrolyse =>diastéréospécificité syn.
T : exemple de réaction (ICO)
T : bilan du devenir du manganèse.
Souvent pas un très bon rendement => autre méthode….
OsO4 DO=VIII très bon oxydant.
T : étapes-clefs du mécanisme (quoique mal connu). Addition quantitative de OsO4 sur
double C=C (sélectivité !! )puis hydolyse (Brückner/ICO)
Transition : coûteux et toxique…
2) En quantité catalytique
a) OsO4 en quantité catalytique
Système réoxydant (lui est en qté stoechio).
=> on peut utiliser OsO4 en condition cata.
Equation bilan de la ré-oxydation de OsO4 par NMO.
Ex ICO T,
Ex d’autres système oxydant : mol ac alcène et alcool ICO : chimiosélectivité.
Remarque : on pourrait la rendre énantiosélective avec dihydroxylation de Sharpless
Transition : on a parlé de chimiosélectivité, de diastéréosélectivité, et énantiosélectivité?
b) Epoxydation de Sharpless
Connu : époxydation d’un alcène avec mCPBA : diastéréospécificité. On peut utiliser un
métal de transition afin de faire une réaction énantiosélective
Si on dissymétrise le substrat ou le réactif, on peut être énantiosélectif.
Conditions de Sharpless + exemples
Transition : On a vu comment oxyder les alcènes grâces aux MT (alcool, alcène…),
maintenant on peut également les réduire grâce aux MT et leur nombreux degrés
d’oxydation
II. Réduction par les métaux de transition
*L’hydrogénation d’un alcène (très exergonique mais interdite de symétrie) Steinborn
p.49 => nécessité d’utilisation de catalyseur
*Définition catalyseur => Le rôle du catalyseur est de remplacer une ou plusieurs
étapes difficiles par une succession d’actes plus faciles Scacchi
* Cat homogène ou hétérogène…
1) Hydrogénation en catalyse hétérogène
*Définition catalyseur hétérogène : Scacchi
* Bilan ICOp.189
Avec Ni de Raney, PtO2 pour alcène (ex de l’ICO où on voit la sélectivité syn) et alcyne
(procédé industriel du butane-1,4-diol) ICO p.264
* Mécanisme Brückner 536
Principales étapes puis mécanisme (noter les étapes au tableau)
* Diastéréospécificité.
Car addition syn. (Remarque TD : a été déterminé avec deutérium)
Pb comment s’arrêter à l’alcène à partir de l’alcyne ?
* Catalyseur empoisonné
Lindlar : Pd déposé sur carbonate de calcium avec acétate de plomb, éventuellement de
la quinoléine bénéficie. (20/1 à 40/1) ICO 264
* Chimiosélectivité ICO 264
Les alcynes sont hydrogénés préférentiellement à toutes les autres fonctions sur
palladium et sur nickel.
Cette sélectivité n’est pas due à une vitesse de réaction élevée, mais plutôt à une très
forte adsorption qui leur permet de déplacer tous les autres groupements fonctionnels des
sites actifs du catalyseur.
T : Hydrogénation chimiosélective : synthèse de la jasmone ICO p.264
2) Hydrogénation en catalyse homogène
*Présentation, mécanisme.
Steinborn (Housecroft)
Découverte milieu 1960’s
Structure du catalyseur, bilan et conditions.
Faire le cycle au tableau ; DO, NEV, nom de chaque étapes.
Remarque : l’éthène empoisonne sa propre conversion en éthane => on ne peut pas
utiliser la catalyseur de Wilkinson dans ce cas. Pour avoir une catalyse efficace la taille
des alcènes est importante (Housecroft)
*Ex de ligand chiraux => hydrogénation énantiosélective. Synthèse L-DOPA
Clayden (=> avantage par rapport à cat hétérogène)
Transition : Petits morceaux de molécules : oxydation, réductions maintenant on va voir
comment les assembler pour construire le squelette carboné.
III. Modification du squelette carboné
1) Couplage de Heck : formation C-C
Campagne, Astruc, Steinborn, Clayden pour la formation de l’espèce Pd(0).
* Bilan
* Mécanisme simplifié (route non polaire, régiosélectivité dirigée par les gènes stériques.
Pour un polaire : régiosélectivité dirigée par effets électroniques)
* Application
C’est la plus connue des réactions de couplage, elle est d’une grande utilité, car elle
manifeste une bonne tolérance pour les groupements fonctionnels
T : Exemple du couplage de Heck en synthèse (Campagne p. 50)
Transition : On vu la possibilité de former des cycles moyens ce qui n’est pas facile, une
autre méthode encore mieux !
2) Métathèse : formation C=C
Ne pas donner le mécanisme, juste le bilan. Exemples. Astruc p. 369, ICO p. 230
Conclusion :
Montrer une CP avec les métaux présentés dans la leçon en rappelant leur utilité, sans
oublier le rôle des ligands !(Cr, Mn, Os, Pt, Pd, Ru, Rh, …)
Métaux non cité et réaction non citées : métathèse, hydroformylation,
polymérisation,Monsanto…
Ouverture en bio : l’hémoglobine… Kaim , Metals in Life
LO 3 : Les alcènes
(réaction de Diels-Alder exclus)
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
Théorie de Hückel simple, hydratation, hydrohalogénatoin et
dihalogénation des alcènes, contrôle cinétique et thermo, notion de
DO, de réduction et d'oxydation, acide/base (Lewis+Bronsted), notion
de RMN et IR
Hprépa PC, T&D PC, ICO, Rabasso T2, Hprépa Tout-en-un PCSI,
Clayden, Weissermel
Introduction :
Définition alcène : composés de formule brute CnH2n. Schéma + exemples à l'état
naturel ICO p.185. Réactions déjà vu en L1 (hydratation, hydrohalogénation,
dihalogénation, ozonolyse), exemples HP
II. Hydroboration des alcènes
1) Présentation du réactif : le borane
BH3 : acide de Lewis et électrophile. HP p.541 Formule avec lacune, VSEPR, AX3
dimérisation, stabilisation avec le solvant (liaison dative) TD p.363
2) Formation des alkylboranes
Bilan monoalkylation HP p.541
Régiosélectivité : -encombrement stérique. Exemples ICO p.216,
-effets électroniques. Exemples ICO p.216 : différence de sélectivité
entre un alkylborane et styrène, calculs de charges sur Hulis.
Stéréosélectivité : syn-addition, addition concertée
Stéréospécificité : sur alcène Z ou E -> on obtient un autre diastéréoisomère. Exemple à
inventer.
Mécanisme pour monoalkylation TD p.364 et possibilté d'aller jusqu'à trialkylation.
Influence de l'encombrement de l'alcène sur nombre d'alkylation. Exemple
d'alkylboranes mono, di ou tri substitués. Exemples ICO p.217 + Rabasso T2
3) Application à la formation d'alcool
I. Généralité sur les alcènes
1) Obtention
a) en labo
Rappel de déjà vu :
Eliminations
– déshydratation d'alcool. Exemple HP PCSI p.421
– déhalogénation. Exemple HP PCSI p.370
Autres réactions que vous verrez plus tard
b) en industrie
– par craquage catalytique des hydrocarbures Weissermel p.64
Tonnage produstion d'éthylène et intérêt.
– raffinage de carburant Weissermel p.71
2) Propriétés spectroscopiques
a) RMN
Blindage et exemple. HP p.537 flexcam
Constante de couplage, différence alcène Z et E
b) IR
On a déjà vu, obtention alcool avec règle Markovnikov par hydratation des alcènes.
Bilan sous formed'exemple. HP PCSI p.220
Mnt grâce à cette hydroboration, on peut avoir des alcools anti-Markovnikov par
oxydation du B des trialkylborane par H2O2+NaOH. Bilan-exemple ICO p.218
Transition : on a pu créer des liaisons C-O grâce à cette réaction, à partir des alcènes on
peut aussi créer des liaisons C-O par oxydation.
III. Oxydation d'alcènes
1) Epoxydation
Bilan et réactif utilisé : m-CPBA TD p.367
Mécanisme TD p. 368
- stéréosélectivité : HP p.545 Addition syn, concertée . Exemple HP p.545
(diastéréospécificité)
- influence de la double liaison : mCPBA électrophile (le montrer) réagit sur les C=C
enrichies en électrons. Exemple ICO p.205
Transition : les époxydes sont très intéressant comme intermédiaires de synthèse. On
avait vu avec les organomagnésiens, réactions pouvant allonger les chaînes carbonées,
permettent également de conduire à des diols viciaux HP p.564
HP p.538
2) Dihydroxylation
-
antihydroxylation : Possible par ouverture d'époxydes
: Bilan + mécanisme
d'ouverutre en milieu acide et en mileu basique. (un au tableau, l'autre sur
transparent).TD p.368 + HP p.547 Exemple.
Régiosélectivité : sur le C le moins encombré : TD p.360
- synhydroxylation :
*KMnO4 DO=VII très bon oxydant … trop bon oxydant. TD p.371
On utilise KMnO4 en conditions basiques, sous forme diluée, à basse température.
Bilan + mécanisme? Exemple ICO p.208
* OsO4 DO=VIII très bon oxydant.
Etapes-clefs du mécanisme (quoique mal connu). Addition quantitative de OsO4 sur
double C=C (sélectivité !!) Danger avec OsO4 ICO p.209 + TD p.372
A priori, il faut OsO4 en quantité stoechiométrique. Grâce à un co-oxydant, on peut
l’utiliser en condition cata.
Transition : Ces diols syn sont très importants en chimie organique, notament pour
clivage de la fonction C-C.
3) Coupure oxydante
a) des diols vicinaux
Oxydation par l'acide periodique HIO4. Bilan + exemple. HP p.547
b) rappel : ozonolyse
Bilan selon les conditions + exemples ICO p.213-215
Mécanisme ICO p.213 + Clayden p.939
IV. Hydrogénation catalytique
1) Catalyse hétérogène
Equation bilan : alcyne->alcène->alcane. Source de H : H2 Difficile. Nécessité d'un
catalyseur, homogène ou hétérogène. TD p.359
Alcènes : ICO p189 exemples
Mécanisme : Tec&Doc p360+ Bruckner p536 sur transparents
Régiosélectivité, C=C la moins encombrée, exemple HP p.551
Stéréosélectivité partielle, influence de la pression en H2 : hydrogénation syn exemple
ICO p.189
Alcynes : 2 stades de réduction possibles : ICOp264-269 utilisation du catalyseur de
Lindlar. Autre manière d'obtenir des alcènes.
2) Catalyse homogène
Catalyseur de Wilkinson, exemple ICO p.189
Intérêt.
Conclusion :
Bilan, ouverture sur Diels-Alder.
Application en industrie : polymérisation HP
LO 4 : Acides carboxyliques et dérivés
ATTENTION : il faut parler vite!
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
Alcool, aldéhydes/cétones, Hückel, IR/RMN, effet inductif/mésomère,
dérivés halogénés, amines
Hprépa PC, T&D PC, ICO, Rabasso T1, Vollhardt, Hprépa Tout-en-un
PCSI, Carey T2,
Introduction :
Les acides carboxyliques sont des composés organiques de formule générale R-COOH et
les dérivés d'acides sont par définition des composés qui régénèrent l'acide par
hydrolyse. Il existe 5 dérivés d'acides : les chlorures d'acyle, esters, anhydrides d'acide,
amides, nitriles. Les chlorures d'acide, les anhydrides d'acides sont des intermédiaires de
synthèses et ne se retrouvent pas dans la nature. Les nitriles très rarement (présents dans
huile d'amande). En revanche les acides carboxyliques, les esters et les amides sont
présents dans la nature et apparaissent dans la composition de nombreux produits
d'usages courants tels que les médicaments, les additifs alimentaires, les produits
cosmétiques, matières plastiques... HP p.653 + TD p.535
Exemples sur transparents HP, ICO p.647 et suivantes
Les dérivés d'acides sont souvent utilisés comme des acides activés, ce qui rend leur
réactivité très intéressante, mais avant de voir pourquoi on peut les considérer comme
des acides activés, présentons les.
I. Généralités
(15')
1) Nomenclature
Sur transparent : tableau du HP p.656 avec formule et un exemple en ajoutant les acides
carboxylique TD p.529.
2) Propriétés
a) Physico-chimiques
Température de changement d'état
Tableau HP PC p.654 : elles sont supérieures à celles des alcools de masses molaires
voisines ; car existence de liaisons hydrogène plus fortes entre molécules d’acide
qu'entre molécules d’alcool => formation de dimères.
Pas de liaisons H dans chlorures d'acyle, anhydrides et esters donc point d'ébulltion plus
proches de ceux des hydrocarburs de masses moléculaires voisines. ICO p.650
●
● Solubilité
Liaison H fait que la solubilité des acides carboxyliques est bonne dans les solvants
protiques si la chaîne carbonée est suffisamment courte ICO p.649
De même amide et nitrile très soluble dans l'eau car peuvent faire liaisons H mais pour
les autres mauvaises solubilités.
● Acide-base
- Acide du H de l'acide carbo : dans l’eau les acides carboxyliques se dissocient
partiellement pour donner un ion carboxylate (équation de la réaction). Les acides
carboxyliques sont des acides faibles dans l’eau de pKa variant entre 2 et 5 selon la
nature de la chaîne aliphatique HP p.654
- Acidité du H en α pour les dérivés d'acides comme on l'avait vu pour les carbonyles va
être intéressant au niveau de la réactivité. Valeurs Rabasso p.9-10
- Basicité du O de C=O. Valeurs Rabasso p.7
b) spectroscopiques
IR
Tableau avec σmax pour les six composés, explications de l'évolution de la bande de
vibration d'élongation de la C=O par effet inductif et mésomère.
● RMN
Rien de particulier, H en α de la C=O un peu plus déblindé mais sinon rien. H de l'acide
carbo à δ=12 ppm ne se voit pas en pratique.
●
Transition : Maintenant qu’on connaît les acides carboxyliques, leurs dérivés et leurs
propriétés,essayons de voir quelle est leur réactivité.
3) Structure et réactivité
H de l'acide carboxylique : site acide
Atome de carbone : site électrophile
O de la C=O site nucléophile et basique
O de la C-O site nucléophile et peu basique
Schéma HP p.655
Comparaison des réactivités vis-à-vis des attaques nucléophiles + explications
HP p.660
●
●
●
●
Transition : Une propriétés importantes des acides carbo et de leurs dérivés sont qu'ils
sont interconvertibles, ceci va être très utile pour leur synthèse.
II. Synthèses
(20')
1) Synthèses d'acides carboxyliques
Ce qu'on a déjà vu, exemples-rappels sur transparents :
– oxydation des alcools par le chrome
Vollhardt p.301
– RMgX +CO2
HP Tout-en-un PCSI p.251
– ozonolyse oxydante
ICO p.215
Et bien sûr par définition, par hydrolyse des dérivés d'acides.
Equation bilan et exemple pour les 5 dérivés d'acides + mécanime au tableau pour
hydrolyse basique des esters : saponification. HP p.672 et suivantes Réaction acidobasique de la fin qui tire la réaction, justifcation avec les pKa. Application à la
préparation des savons à partir des triglycérides.
Transition : Ok ça c'est bien mais en règle général on cherche à synthétiser les dérivés.
2) Synthèses des chlorures d'acyles, anhydrides, nitriles :
intermédiaires de synthèse
Equation bilan et exemples HP p.657
Ce sont des acides activés !
Transition : Ils sont utiles pour synthétiser les autres dérivés d'acides, composés d'intérêt.
3) Synthèses d'esters
A partir d'acides carboxyliques. Equation bilan. Réaction équilibrée, mécanisme
sur transparents avec ajout de flèches. HP p.662
Pour améliorer les rendements, utilisation d'un Dean-Stark qui permet de retirer l'eau
former et donc de déplacer l'équilibre ou utilisation d'un acide activé.
● A partir de chlorure d'acyle. Equation bilan. Mécanisme au tableau.
On retrouve les mêmes résultats en utilisant un anhydride d'acide. Exemples. HP p.664
●
4) Synthèses des amides
Equation bilan à partir d'un acide carboxylique et d'un dérivé d'acide. Mécanisme
uniquement sur l'un des deux sur transparent. Exemple HP p.669
III. Réactivité et utilisation en synthèse
(15')
1) Réduction des dérivés d'acide
Existe de nombreux composés pour les réduire. (Carey T2 p.232). On va
particulièrement s'intéresser à la réduction des esters par LiAlH4. HP
Bilan => alcool primaire + exemple. ICO p.708
Comparaison avec les dérivés carbonylés où on pouvait utiliser NaBH4 mais plus ici.
Mécanisme seulement si le temps.
Transition : Esters vont aussi être très intéressant pour obtenir des acides carbo avec
allongement de chaîne carbonée.
2) Synthèse malonique
Equation bilan.
Mécanisme sur transparent. Explication pKa et intérêt. HP
Transition : comme dit en intro, présence comme composé naturel comme acides aminés
et notament acide aspartique, on va voir comment les dérivés d'acide vont être utiles
pour synthétiser cet aa en labo
3) Application à la synthèse de l'acide aspartique
Exercice 25 HP p.687 récapitulatif
Etapes sur transparent et explication avec remplissage des produits quand celui-ci est en
lien avec la leçon.
Conclusion :
Amides qu'on retrouve dans la liaison peptidiques => propriétés des protéines;
enchaîneemtn d'aa.
Ces composés sont très intéressants en synthèse et pour certains utiles en industrie agroalimentaires + pour polymères : obtention de polyester, nylon.
- Spectroscopie IR : 1 ou 2 bandes absorption caractéristiques HP Tout-en-un PCSI
LO 5 : Les amines
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
Acide/base, nucléophilie/électrophilie, spectroscopie IR, SEAr, alcools,
cétones et aldéhydes
Clayden, Vollhardt (dernière version), OCP 38, ICO , HP tout en un,
1ère année, PCSI, Kurti, Lalande (élimination Hoffman), Weissermel.
Introduction : OCP (+ Vollhardt p.956 + ICO + HP)
* L’élément azote Vollhardt
O2/N2 = 0,2/0,5 O2 important pour respirer et l’oxygène et présent sous de nombreuses
formes, H2O, alcool, et bien d’autre composé organique. N2 lui est inerte, mais
néanmoins il est présent sous forme de ses dérivés organiques et a un rôle tout aussi
essentiel que l’oxygène.
* Notamment on a les amines.
Définition ICO + HP p.387: amine aliphatique, aromatique
Importance : en effet, au niveau biologique, on le retrouve dans les acides aminés qui
constituent les protéines jouant important dans les organismes vivants (structuration des
cellules ou d’en des processus enzymatiques). Il est également présent dans les colorants
alimentaires dont nous verrons le principe de cette synthèse industrielle au cours de cette
leçon.
Donner des exemples d’amines. Amines aliphatiques ou aromatiques T. Vollhardt p.960
+ HP p.388
I. Présentation des amines
(<15')
1) Classes des amines et nomenclature
* Présenter clairement les classes d’amines qui diffèrent des autres classes de composés.
Ici la nomenclature se fait à partir des substituant sur l’azote mais pour alcool se fait sur
le carbone porteur de cette fonction. HP p.388
* Nomenclature la plus utilisée : amine mais IUPAC : azane. Exemple. ICO p.455 + HP
p.389
2) Propriétés physico-chimiques et structure
* Propriétés
- Teb comparaison entre amine, alcool et alcane Vollhardt p.959
Donc liaison H moins forte que dans le cas d’alcool. Dû à liaison NH moins polarisée.
- Solubilité dans les solvants polaires modulée par les substituants pouvant être apolaire
ICO p.458
* Structure AEX3 HP
Interconversion rapide entre les 2 énantiomères : barrière énergétique 25 kJ/mol mais
énergie dû à l’agitation thermique =k BT= 25 kJ/mol donc ce n’est pas la raison. Effet
tunnel responsable.
Connaître les origines de l’inversion de la configuration des amines (faible barrière
d’énergie + effet tunnel), avoir un ordre d’idée de la barrière d’énergie et de la
fréquence d’inversion. Ne pas généraliser à toutes les amines.
Existence dans certains cas d’amines chirales du fait de contraintes conformationnelles
(ex : morphine ou quinine HP) et ammoniums quaternaires pouvant être chiraux !
Transition : structure fait apparaître un DNL => il va être important pour la réactivité des
amines.
3) Réactivité générale
Vollhardt p.960+ HP
Remarque : penser à comparer amines aliphatiques et amines aromatiques
N : - électronégatif que O => acidité + faible (20 ordres de grandeurs) mais DNL +
dispo.
* Acidité
* Basicité de Bronsted: (possibilité de présenté le LDA ou sa synthèse).
* Basicité de Lewis, aniline – basique car DNL moins dispo.
II. Synthèses des amines (15')
1) Synthèse directe : alkylation d'Hofmann
ICO 479 explication + 475 exemple + HP
Bilan : HP
Mécanisme : 1ères étapes au tableau et le reste sur T. => pb des polyalkylations !
Remarques HP : on peut s’arrêter au niveau de l’amine primaire si excès de NH3 ou à
l’amine tertiaire si l’encombrement devient trop important affaiblissant la nucléophilie
de N. On ne peut pas former l’amine secondaire.
Sel ammonium quaternaire => utilisé en catalyse comme agent de transfert de phase.
Amine tertiaire base utilisée en chimie organique.
Transition : Le choix des réactifs et leurs proportions sont donc cruciales dans cette
synthèse afin de ne pas obtenir de mélange d’amine. On va donc voir qu’il n’existe pas
d’autres synthèses, cette fois-ci indirectes, qui permettraient d’être plus sélectif.
2) Synthèses d'amines primaires
A partir d’un de cyanure ou d’azoture de sodium Vollhardt 971
Si le temps : Deux méthodes vont être possibles pour passer d’un halogénoalcanes à une
●
amine qui sera exclusivement primaire de part les réactifs utilisés.
* A partir du cyanure de sodium : RX transformé en nitrile RCN, suivie d’une réduction
(avec H2/Ni) en amine primaire donnant RCNH2. On a introduit un carbone dans le
squelette dans l’halogénoalcane. Bilan. Mécanisme sur T. (ne pas détailler la réduction)
* Si le temps : Si on veut mnt ajouter un halogénoalcane à un groupe amino sans carbone
surnuméraire : on va utiliser l’azoture de sodium et former un azoture d’alkyle. On va
ensuite obtenir l’amine par réduction (LiAlH4 ou Pd/C). Bilan. Mécanisme (ne pas
détailler la réduction)
Transition : Néanmoins, dans ces 2 dernières synthèses on utilise une étape de réduction
qui peut entrainer une perte de rendement ou provoquer au sein d’une molécule la
réduction d’une autre fonction comme alcène ou aldéhyde. Une autre synthèse indirecte
permet de s’affranchir de cette étape de réduction.
● Synthèse de Gabriel Vollhardt 971 pour pKa + Kürti pour méca et exemple
Bilan et mécanisme
Principe : Utilisation de l’hydrazine car lors de la deuxième attaque nucléophile on
forme un composé cyclique qui permet de favoriser la réaction et donc de favoriser la
formation de l’amine primaire exclusivement.
Transition : On vient de voir comment synthétiser une amine primaire exclusivement, et
on va maintenant voir comment on peut procéder pour former une amine secondaire ou
tertiaire.
3) Synthèse d'amines secondaires et tertiaire par amination
réductrice
Transition : On vient de voir la synthèse industrielle de l’aniline, précurseur des amines
aromatiques. A présent, nous allons nous intéresser à la réactivité des amines, à
commencer par l’aniline pour former d’autres amines aromatiques.
III. Réactivité
(20')
Préciser que l’alkylation d’Hoffmann et l’amination réductrice constituent déjà une
facette de la réactivité des amines.
1) Acylation d'Hofmann
* Bilan et mécanisme avec un chlorure ou anhydride d’acide (si direct avec acide
carboxylique => réaction A/B) Lalande p.246
* Applications :
- polymérisation => polyamide : Kevlar, très rigide, utilisé dans gilets pare balle.
Lalande ou Nylon Vollhardt p.982
- GP
- formation d’une liaison peptidique
Exemple de l’aspartame (montrer qu’il faudra probablement protéger certaines
fonctions) ICO p.683
On vient de voir une synthèse très utilisés en chimie organique notamment dans la
synthèse des précurseurs des protéines ayant un rôle important au sein des êtres vivants
(structuration du squelette de nos cellules ou intervenant dans de nombreuse processus
enzymatique) Néanmoins, lors de cette synthèse, la nécessité d’utiliser des groupements
protecteurs est primordiale pour réaliser une synthèse contrôlée. (Clayden 651,
couplage)
2) SEAr
Bilan et mécanisme Vollhardt p.973
Dans cette synthèse, la substitution de l’amine synthétisée va s’effectuer lors du choix du
réactif.
On va utiliser : NH3 pour faire une Ir, une Ir pour faire une IIr, une IIr pour faire une IIIr.
L’amine réactif va réagir avec une cétone ou un aldéhyde en milieu acide (activation)
pour former une imine (non isolé), suivie d’une réduction par (NaBH3CN ou H2/Ni).
(LiAlH4 pas stable en milieu acide, Vollhardt explication)
* Aniline : Rappel des règle de Holleman. Bilan au tableau et mécanisme sur T
Effet +M, para ortho orienteur, densité électronique sur l’atome N élevé car atome moins
polarisable donc doublet disponible pour participer à l’aromatisation donc plus
réactifs=> polysubstitution Clayden p.559
* Solution pour éviter polybromation : diminuer la densité électronique de l’atome
d’azote en lui introduisant un groupement attracteur qui va tirer sa densité et le rendre
moins réactif. Utilisation de l’anhydride acétique comme électrophile. => cf ce qu’on a
vu dans la partie juste avant. Clayden
Transition : on va maintenant s’intéresser à la synthèse des amines aromatiques, en
particulier au composé précurseur de cette famille l’aniline
Transition : Egalement une méthode de protection des amines mais pas en milieux acide
car on reforme l’amine. Il existe d’autre groupement le BOC et le FMOC
4) Synthèses d'amines aromatiques
T Synthèse industrielle de l’aniline : Ce fait à partir du nitro-benzène puis soit
hydrogénation + catalyseur ou avec NH3+catalyseur. Weissermel p.386-387
3) Diazotation
Vollhardt + ICO (chap sur les amines): formation du diazonium.
ICO p.306 ou Vollhardt p.1041: formation d’un colorant diazoïque (SeAr)
Eventuellement parler de ce qui se passe pour les amines aliphatiques => ICO.
Conclusion :
Récap de la leçon, importance de la synthèse peptidique
Réaction sur les dérivés carbonylés (imine, énamine → azaénolate), propriétés
réductrices et surtout propriétés complexantes.
2) Formation d'acétal, acétalisation
LO 6 : Réactivité du groupement carbonyle :
acétalisation, addition d'organomagnésien mixte,
réaction de Wittig, réduction par NaBH4
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
Sundberg
L2
Théorie des OM, OF, Hückel, Organomagnésiens
Clayden, ICO, TD PC, NTA blanc, HP PC, Tout-en-un PC, Carey-
Introduction : HP
Définition groupement carbonyle. Attention définition IUPAC inclus aussi dérivés
d'acides mais on se restreint à aldéhyde et cétone. Exemples de molécules naturelles.
I. Propriétés et réactivité de la liaison C=O
1) Structure et propriétés
HP p.246
géométrie, polarité, énergie de liaison, classement de réactivité entre aldéhyde, cétone,
méthanal + spectro IR
Transition : liaison forte mais qd m très réactif car très polarisable
2) Réactivité
- description orbitalaire : diagramme sur transparents, placement des électrons et
explications, HO, BV NTA p.215; HP p.246
- site électrophile: C, diagramme, comparaison cétone/aldéhyde, mettre orb liante et antiliante NTA p.221 gêne stérique et facteur de charge vont dans le même sens.
- site nucléophile: O et avec assistance électrophile, meilleur réactivité de C NTA p.216
- géométrie d'approche : angle de Bürgi-Dunitz, interaction 180°, 90°, compromis NTA
p.217
II. Transformation de groupements fonctionnels
1) Formation d'un alcool par réduction par NaBH4
NaBH4 structure et réactivité avec électronégativité ICO p.582
exemple : camphre ICO p.583
Mécanisme, stéréosélectivité avec angle de Bürgi-Dunitz, modèle moléculaire
Transition : problème de sélectivité entre aldéhhydes et cétones si on veut faire réagir
cétone en premier, il faut protéger la fonction.
Présentation acétal, hémiacétal, cétal, hémicétal TD p.456
Exemple : ICO p.560
Bilan et mécanisme au tableau, catalyse acide Clayden p345
Equilibre : tirer la réaction, avec tamis moléculaire, agent desséchant ou Dean-Stark,
montage sur transparents TD p.459
Réponse : solution problème
III. Création de liaison carbone-carbone
1) Création de liaison simple C-C
action des organomagnésiens, rappel réactivité des OM, électronégativité, charges
partielles, produits avec cétons, avec aldéhydes. HP p.259
Mécanisme à 6 centres Clayden p.223 attention lacunes sur Mg
Exemple : ICO p.598
O
Transition : Pb : si on veut :
avec attaque OM et élimination, règle de Zaïtsev, autre produit, autre réaction...
2) Formation de liaison double C=C : Wittig
Pb résolu avec Wittig : Carey-Sundberg T2 p.96
présentation ylure, définition et formation TD .465
bilan réaction et mécanisme sur exemple Carey Clayden p.815 +force motrice de la
réaction
stéréosélectivité Clayden p.815 discussion ylure stabilisé et bilan, alcène Z/E
Conclusion :
Bilan
On a vu un large panel de réaction exploitant la réactivité électrophile du groupement
carbonyle, ce qui justifie son rôle d’intermédiaire de réaction. Mais nous n’avons pas
étudié la réactivité due au caractère acide du proton en alpha.. Cette réactivité sera
abordée dans une prochaine leçon.
LO 7 : Composés carbonylés. Notion de tautomérie.
Réactions en α du groupe carbonyle. Réactions de l'ion énolate.
C-alkylation. Addition conjuguée sur les α-énones
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
RMN, additon nucléophile sur les composés carbonylés,
organomagnésiens mixtes; théorie de Hückel
Vollhardt, Clayden, T&D PC, Rabasso Généralités L, Carey T2,
Hprépa chimie orga PC, ICO, Lalande
Introduction :
Leçon précédente, on a étudié C=Cen tant qu'électrophile et mnt on va voir leurs
propriétés nucléophile. Cela va permettre de créer des liaisons C-C, ce qui est très
intéressant en chimie orga.
Exemple de l'annélation de Robinson : Vollhardt p.839
Objectif : pouvoir expliquer cet exemple à la fin.
I. Equilibre céto-énolique, vers la nucléophilie des dérivés
carbonylés
1) Mise en évidence de l'énol
Flexcam : spectre RMN de la dimédone Clayden p.524
attribution pics + pics non attribuables. On propose la structure de l'énol ok.
Explication : èn-ol.
Transition : quelle relation y a-t-il entre énol et cétone?
2) Equilibre céto-énolique. Notion de tautomérie
Equilibre entre les deux formes : bilan TD p.490. Valeurs de constantes d'équilibre ICO
p.555. On observe que l'équilibre est fortement déplacé dans le sens du composé
carbonylé. On en déduit l'instabilité de la forme énol. Il existe cependant des exemples
d'énols stables tel que le phénol et le pent-1,3-dione (valeurs des constantes d'équilibre :
TD p.490). La stabilité s'explique pour le premier par l'aromaticité du phénol et pour le
second par l'établissement d'une liaison H intramoléculaire.
Mécanisme au tableau en catalyse acide et basique Clayden p.526
3) Réactivité de l'énol
Etude Hückel de l'énol, on peut résoudre à la main mais ici modélisation sur HuLis. HO
haute en énergie (à comparer à la HO de l'éthène) bon nucléophile. Dans le cadre d'un
contrôle orbitalaire, l'attaque s'effectue sur le plus gros lobe de la HO ie le C. BV haute
en énergie, mauvais électrophile. TD p.492.
Exemple : Monohalogénation d'une cétone en milieu acide. Clayden p.535
Mécanisme en ajoutant flèche sur transparents.
Transition : Dans la pratique, l'énol est peu utilisé. Une forme, dont la nucléophilie, est
exaltée est plus intéressante.
II. L'anion énolate et sa réactivité
1) Mobilité du H en α du groupement carbonyle
Proton en α acide. Stabilisation de la base conjuguée par délocalisation électronique.
Schéma. Echelle de pKa sur transparent, évolution, effet cumulatif. Rabasso p.6
2) Formation des énolates
Utilisation base forte et encombrée. Exemples HP p.269
Problème de régiosélectivité, deux énolae possibles. Exemple : 2-méthylcyclopentanone
Carey T.2, p.8. Identification produit thermodynamique/produit cinétique (plus
stable/plus rapidement formé). Conditions favorisant l'obtention de l'un ou de l'autre.
Carey T.2, p.5-7 Retour sur l'exemple avec les rapports obtenus
en fonction des conditions d'obtention de l'énolate.
3) Réactivité de l'énolate
Modélisation Hulis de l'énolate, paramètres théorie de Hückel. HO haute en énergie,
nucléophile. TD p.495
Hulis : en contrôle orbitalaire, addition de l'électrophile sur le C, en contrôle de charge,
addition de l'électrophile sur l'oxygène. Mécanismes de principe (avec E), introduction
du vocabulaire C-alkylation et O-alkylation. TD p.495
Dans le cadre de cette leçon, on se limite à la C-alkylation et on fait l'hypothèseque les
conditions utilisées favorisent cette dernière.
Exemple de C-alkylation Lalande p.31, Carey n°3 p.14. Mécanisme sur transparent
avec flèches à ajouter.
4) Réaction d'aldolisation/crotonisation
On s'intéresse à présent à une réaction en contrôle thermodynamique. La C-alkylation est
majoritaire (le produit obtenu conserve la double liaison C=O, plus forte que la C=C).
Aldolisation de l'acétone, comparaison montage Soxhlet ICO p.625-626.
Mécanisme. Crotonisation. Présentation du mécanisme E1cb sur le produit d'aldolisation
de l'acétone. ICO p.627
Exemple aldolisation croisée : Lalande p.309-310
Transition : La crotonisation permet de faire apparaître un nouveau type de molécule :
les α-énones, qu'on va étudier à présent.
III. Les α-énones
1) Présentation
Définition et exemple TD p.508
Etude du système en théorie de Hückel. Modélisation Hulis. BV basse en énergie,
électrophile. Les valeurs des coefficients de la BV et le calcul des charges nettes
partielles permettent de discuter des deux sites d'attaques sur une α-énone selon le type
de contrôle cinétique (orbitalaire ou de charge). Addition 1,2 /addition 1,4
2) Action des organométalliques
Cas des organomagnésiens mixtes
Préparation TD p.512 Exemple Lalande p.314 Mécanisme TD p512
Comment peut-on effectuer majoritairement l'addition 1,2 ou 1,4 ?
Cas des organolithiens
Présentation des organolithiens, préparation TD p.512 Exemple Lalande p.314
Ecriture rapide du mécanisme, explication régiosélectivité TD p.513 (contrôle de charge
du fait de la très forte polarisation de la liaison C-Li (comparer les valeurs des
électronégativités de C, Li et Mg).
Cas des organocuprates lithiés
Présentation des organocuprates lithiés, préparation TD p.512 Exemple Lalande p.314
Ecriture rapide du mécanisme, explication régiosélectivité. TD p.513 (contrôle
orbitalaire du fait de la faible polarisation de la liaison C-Cu (comparer les valeurs des
électronégativités de C, Cu et Mg)
3) Annélation de Robinson
On vient d'étudier l'addition des organométalliques sur les α-énones qui est effectuée en
contrôle cinétique. On s'intéresse à présent à une réaction d'addition sur les α-énones en
contrôle thermodynamique. Vollhardt p.839
En contrôle thermodynamique : addition 1,4 majoritaire (C=O plus forte que C=C, le
produit le plus stable est donc issu de l'addtion 1,4).
Mécanisme de l'annelation de Robinson présenté sur l'exemple introductif. Insister sur la
régiosélectivité 1,4 et l'équilibre entre énolate thermo et cinétique (possible car on est en
contrôle thermo). Vollhardt p.839 + Clayden
Conclusion :
Bilan des réactions vues.
Trop cool la création de liaisons C-C!!
différentes positions. Kürti p.96
LO 8 : Création de liaisons C=C en chimie organique
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L3
contrôle cinétique et thermodynamique, réaction de β-élimination (E2,
E1, E1cb), réaction de Wittig, réaction de substitution nucléophile,
hydrogénation catalytique des alcènes?
ICO, Clayden, Hprépa Tout-en-un, Vollhardt, Brückner, Kürti, TD PC,
Rabasso,
Introduction :
Les doubles liaisons C=C sont présentes dans un nombre important de molécules
naturelles et synthétiques car ce sont des groupements susceptibles d’être facilement
modifiés par des réactions diverses et parce qu’ils apportent de la rigidité dans les
molécules.
Dans les molécules naturelles notamment, les terpènes (classe d’hydrocarbure, produit
par de nombreuses plantes) contiennent tous le même synthon isoprène contenant des
liaisons C=C. On peut citer les exemples de l'α-pinène et le limonène qui sont des
monoterpènes cycliques. Des C=C sont aussi présentes dans les squelettes stéroïdiens
(exemple du cholestérol). ICO
Il est important de voir de quelle manière on peut obtenir les C=C à partir d'une large
gamme d'autres molécules et surtout de maîtriser la stéréochimie de la double liaison
formée, en effet, celle-ci peut être Z ou E (illustration sur les exemples donnés
précédemment).
I. Réactions de β-élimination
1) Sur des dérivés halogénés et des alcools
Bilan avec nucléofuge noté X. X peut être : Cl, Br, I, OH.
3 mécanismes limites déjà vus en L1 et L2 : E2, E1, E1cb. Discussion rapide sur la
stéréo et régiosélectivité. ICO + Clayden p.492 + HP
Exemple
2) A partir d'ammoniums quaternaires
a) Elimination d'Hofmann
Bilan-exemple ICO p.364
Mécanisme, contrôle cinétique, régiosélectivité et stéréosélectivité. Vollhardt p.975
b) Elimination de Cope
Bilan + exemple ICO p.489
Mécanisme : syn-élimination, régio dépendant fortment
3) Elimination de Peterson
Schéma gobal ICO p.620
Mécanisme en milieu acide, en milieu basique + stéréosélectivité. Selon les conditions et
les réactifs de départs, on peut choisir le dia qu'on veut.
Exemples. Clayden p.813 + Brückner
II. Condensation aldolique et réactions apparentées
1) Crotonisation
T : Rappel sur le mécanisme: E1cb + exemple ICO p.626 + TD
2) Réaction de Knoevenagel
Composés 1,3-dicarbonylés (ex : malonate de diéthyle). Mécanisme Clayden p.703.
Exemple en synthèse ICO p.730
3) Annélation de Robinson
Mécanisme + exemple, intérêt => préparation de stéroïdes Clayden p.761 + ICO p.632
+ Vollhardt
Transition : une autre réactivité des C=O avec du phosphore pour former des C=C, vous
l'avez déjà vu : réaction de Wittig.
III. Réactions de Wittig et apparentées
1) Réaction de Wittig
a) ylure de phosphore
Def TD: composé comportant deux charges opposées adjacentes dont l’une est portée
par un hétéroatome. Donner sa structure. Obtention des ylures Rabasso p.24+26
b) formation de C=C
Equation bilan : ylure + dérivé carbonylé donnent alcene +oxyde de phosphine. Intérêt
de la formation régiosélective de la C=C.
Exemple montrant une certaine stéréoselectivité on va l’expliquer avec le mécanisme
Kürti p.486
Modif de Schlösser
Parler d'ylure stab, semi-stab, non stab. Expliquer la stéréoselectivité en fonction de
l’ylure utilisé. Présenter sous forme de tableau.
Transition : Il existe des réactions fortement inspirées de celle de Wittig permettant aussi
de former des alcènes de façon sélective
du nombre de H sur les
2) Réactions apparentées
a) Horner Wadsworth Emmons
* Formation du phosphonate : réaction d'Arbusov Rabasso p.28 + ICO + Clayden
* Réaction : exemple sur transparent Kürti p.212, réactif un peu différent
(phosphonate), sélectivité E tout le temps, pas de consensus concernant le mécanisme +
intérêt : on forme un sous produit soluble en phase aqueuse , plus facile à éliminer du
milieu réactionnel que l’oxyde de phosphine.
b) Modification de Stille et Gennari
Kürti p.214 CF3 change la sélectivite , utilisation d’un éther couronne qui évite la
réouverture de l’oxaphosphétane, en faveur du produit Z.
Conclusion :
Bilan. On a vu ici création de C=C mais il existe d'autres façons d'obtenir des C=C en
gérant la sélectivité. Vous avez déjà vu hydrogénation catalytique des alcynes avec Pd de
Lindlar permettant d'obtenir des alcènes Z exemple : synthèse de la jasmone ICO p.269,
avec d'autres conditions que nous verrons plus tard, on peut obtenir l'alcène E.
(Vollhardt p.574) Encore d'autres méthodes existent pour former des C=C à partir de
C=C déjà existante tout en gérant sélectivité, ex métathèse C=C donnent C=C PN 2005.
Utilité des alcènes => notament polymères.
LO 9 : Les enzymes :
structure et utilisation en chime organique
Transition : Enzymes protéiques ont donc ces structures des protéines qu'on vient de voir
+ d'autres particularités structurales dont la présence d'un site qui les distinguent des
autres protéines.
2) Particularité structurale des enzymes : site actif
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L3
Réaction de Baeyer-Villiger, stéréochimie, amides, protection et
déprotection des amines et acides carboxyliques, forces
intermoléculaires, catalyse homogène, représentation de Fischer,
acides-aminés et peptides.
Stryer/Berg, Voet-Voet, Weil, Silverman, « Chirality in industry »,
ICO, Actualité chimique aout-sept 2002
Introduction :
Définition IUPAC : une enzyme est une macromolécule qui fonctionne en catalyseur
permettant d'accélérer les réactions biochimiques et étymologie (levain) Voet&Voet
p.332
Enzymes très utiles : catalyseurs du monde vivant Stryer p.206. Nombreuses réactions
catalysées par les enzymes, réactions sélectives, réaction difficiles que le chimiste
n’arrive pas encore à faire. Donc intérêt dans leur utilisation en chimie organique. Pour
savoir comment les utiliser besoin de savoir comment elles marchent, et pour ça on a
besoin dans un premier temps de connaître leur structure.
I. Origine structurale de l'activité catalytique
Toutes les enzymes ne sont pas des protéines (ex : ARN catalytique) mais dans cette
leçon, on va s'intéresser particulièrement aux enzymes de nature protéique.
1) Structure générale d'une protéine
Obtention de peptides pour AA<50 et protéine pour AA>50. Rappel définition d’une
protéine sur transparent Stryer p.34 => structure complexe donc différents niveaux de
description
Structure primaire : enchaînement des AA via les liaisons peptidiques. Stryer p.35
Structure secondaire : agencement local, dans l’espace de la structure primaire.
Structure en hélice (due à des liaisons H intrachaînes Weil p.32) , feuillet béta (liaisons
H entre brins béta Stryer p.43) visualisation Discovery Studio HIV si possible
Structure tertiaire : repliement en structures compactes des différentes structures
secondaires. Ex : chymotrypsine Stryer p.246 visualisation DS HIV si possible
Différents types de liaisons : covalente avec pont dissulfure, faible VdW
Structure quaternaire : agencement de plusieurs structures tertiaires. Exemple des
protéines dimériques. Stryer p.246 exemple de la chymotrypsine. visualisation DS HIV
si possible
- Définition : Région qui fixe les substrats. Formé d’aa éloignée dans la structure
primaire ou de chaines différentes.
- Comment le substrat interagit-il avec l'enzyme?
Substrat lié à l’enzyme par de multiples liaisons faibles comme liaisons hydrogène
(schéma), électrostatiques, ou VdW. Importance de la complémentarité des formes entre
substrat et enzyme pour maximiser ces liaisons. Accueil des substrats : sélectivité.
Il contient aussi les résidus qui participent directement à la formation ou au clivage des
liaisons, donc à la réaction. Stryer p.214
Présentation du site actif de la chymotrypsine FC (Stryer p.246 et 248)
Petit volume par rapport au volume total de la protéine
- Nécessitié éventuelle de co-facteur :
Nombreuses enzymes fonctionnent grâce à la présence simultanée de petites molécules
appelées cofacteurs. Stryer p207 Cofacteurs : métaux ou coenzyme (molécules
organiques). Si coenzyme étroitement lié à l’enzyme on parle de groupes prosthétiques.
Exemple de coenzyme : NAD, les vitamines B Stryer p423 structures
Se fixe aussi au site actif.
Conclusion : message à retenir : une enzyme protéique peut avoir plusieurs
conformations stables, dont une seule active pour son activité catalytique et que tous ses
conformations sont issues d'interactions majoritairement faibles, d'où la fragilité relative
des enzymes. Les enzymes sont des macromolécules issues de briques élémentaires
chirales (les acides aminés) d'où des capacités de reconnaissance chirale
Transition : Ainsi, site actif responsable des propriétés catalytiques et spécificité. Mais
comment marche ce processus catalytique?
II. Processus enzymatique : intérêt en chimie organique
1) Effet catalytique
Stabilisation de l'état de transition par formation du complexe enzyme-substrat E + S =
ES = P + S => provoque un abaissement de Ea.Voet&Voet p380
- Courbes d’énergie, abaissement Ea avec l’utilisation d’un catalyseur. T
Différents modèles pour décrire cette intraction :
-Modèle clef serrure T (Stryer). Pb : le site actif se déforme après fixation substrat =>
modèle incomplet.
-Modèle de l’adaptation induite T (Stryer) : l’enzyme a une forme complémentaire de
l’état de transition, max d’interaction lors de l’état de transition, stabilitation de l’ET =>
abaissement de l’Ea => augmentation de v. Exemple valeurs Ea Weil p.61
Explique la catalyse et la spécificité.
Remarque : un bon substrat ne se lie pas forcément à son enzyme avec une forte affinité
mais il le fait suite à l’activation de son ET.
ODG : augmentation de la vitesse de l’ordre de 106 correspond à l’établissement de
seulement 2 liaisons hydrogènes au niveau du complexe activé enzyme-substrat.
Exemple de la chymotrypsine Stryer p247.
Transition : Mais quelles sont les stragégies catalytiques mises en oeuvre par les
enzymes?
2) Stratégies catalytiques
Voet&Voet p375 Différents types de mécanisme catalytique : catalyse A/B, catalyse
covalente (établissement de liaisons covalente entre enzyme et substrat), ions
métalliques, catalyse par proximité (triade catalytique).
Exemple : hydrolyse d’un peptide par la chymotrypsine, catalyse A/B et covalente.
Stryer p.247 + Silverman p.42
Dire l’intérêt de couper des liaisons peptidiques et pourquoi la réaction doit être
catalysée. Détailler les premières étapes et les types de catalyse mis en jeu, expliquer la
spécificité de la coupure.
Transition : en effet enzymes comme on l'a déjà dit est spécifique, et outre son intrérêt
catalytique, le chimiste veut profiter de cette spécificité.
3) Spécificité de l'enzyme
Chimio, régio, et stéréosélectivité : la nature n’utilise pas de groupements protecteurs !
Donc le chimiste essaie de mettre à profit les spécificités des enzymes ! ça peut-être un
avantage, mais ça peut-être aussi un inconvénient (peu de substrat peuvent être
compatible pour une enzyme donnée et une réaction donnée).
a) Spécificité pour le substrat
Peut être large (ex : les cytochromes P450 oxydent une large gamme de molécules), ou
étroite allant même jusqu’à une distinction entre des énantiomères : par exemple la
chymotrypsine ne catalyse l’hydrolyse des liaisons peptidiques que si les aa sont L
(comme les aa naturels) mais pas si les aa sont D. Weil p.69
Est-ce que le substrat naturel est celui d’intérêt du chimiste ? Sinon il faut que l’enzyme
soit promiscuitaire et accepte le substrat naturel.
b) Spécificité pour la réaction
Classification des enzymes Weil p.71
Possibilité de détourner l’activité enzymatique ! Par exemple, sur la base de leur
mécanisme d’action, les protéases peuvent jouer le rôle d’estérases. De même, les lipases
peuvent être utilisées en tant qu’estérases ou transestérases.
Ex : chymotrypsine (protéase) peut fonctionner comme des estérases Voet&Voet p389
(car hydrolyse ester ou amide même fonctionnement), et hydrolyser des esters cette fois
encore apolaire ! Ex : ICO p690 Lipase utiliséecomme esterase.
Transition :
III. Utilisation en chimie organique
1) Problématique, défis
Défis : production et purification des enzymes : coût élevé et chimie pas forcément très
verte donc enzymes très précieuses => recyclage nécessaire.
Conditions d’utilisation particulières : cf exemple précédent ICO p690. pH fixé,
Température fixé, solvant ! Dénaturation des proétines en solvant orga et avec T et P.
Nécessité dans certains cas de cofacteurs onéreux comme NADH ou NADPH
Actualité chimique 08/09, 2002.
MAIS...
Intérêt : réaction régio et stéréosélectives, catalyseur réutilisable à TOF élevé (à définir)
Transition : comment on va réussir à tirer partie des propriétés des enzymes et relever les
défis qui incombent à leur utilisation en synthèse?
2) Synthèse de l'aspartame
- Aspartame : édulcorant, pouvoir sucrant, tonnage ICO, « Chirality in industry »
- Synthèse en chimie organique ICO p683 Synthèse fastidieuse, bcp d'étapes :
protection, activation, couplage, déprotection. avec utilisation de groupements
protecteurs ! Mieux avec enzyme : Actualité chimique p49
Réaction équilibrée, comment la rendre quantitative? Précipitation du sel, utilisation
phénylalanine racémique« Chirality in industry »
3) Dédoublement enzymatique
But : dissymétriser une molécule, rappel : pour avoir chiralité, il faut chiralité avant car
on ne crée pas de pouvoir optique, ok avec enzyme car issues de briques élémentaires
chirales (les acides aminés) d'où des capacités de reconnaissance chirale.
Exemple de l’ICO p.700
+ relève de défis : enzyme utilisée : extrêmophile fixée sur support solide, utilisation
d'enzymes extrêmomphiles pour lutter contre dénaturation avec T et stabilisation
d'enzymes sur support solide pour stabilité et recyclage de l'enzyme.
4) Réaction enzymatiques couplées : Bayer-Villiger
Silverman Berg ICO
Exemple de l’ICO p. 640 avec un cofacteur.
Au tableau : réaction voulue, on peut penser à Baeyer Villiger mais pb de
stéréosélectivité => passage par une réaction enzymatique T détailler les conditions avec
recyclage de NADPH
Conclusion :
Enzymes = catalyseurs du vivant, catalyseur en chimie.
Intérêts multiples : rapidité, conditions douces, réactions enzymatiques parfois
impossibles à réaliser par les techniques conventionnelles ! Mais contraintes
Solutions au défis : Utilisation d’enzymes extrêmophiles. Fixation d’enzymes sur
support solide (ICO p658). Recyclage des cofacteurs onéreux par réaction enzymatique
couplée (exemple). Modification structurale de l’enzyme : augmentation de l’activité
pour le substrat d’intérêt et amélioration de la stabilité.
LO 10 : La liaison carbone-halogène
Stéréochimie.
Application : préparation de nitrile ICO p.354 ou exemple Tout-en-un
Facteurs influençant la réaction HP
2) SN1
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
ICO
L1
polarisabilité/polarité, hydrophobe/hydrophilie, liaison de VdW,
électrophilie/nucléophilie, cinétique de réaction, stéréochimie,
sélectivité/spécificité
Hprépa Tout-en-un PCSI (nouveau), T&D PCSI, Tout-en-un PCSI,
Exemple, loi de vitesse, mécanisme avec étét de transition, profil réactionnel. HP
Perte de la stéréochimie. Mettre les flèches de mécanisme.
Facteurs influençant la réaction. HP
3) Compétition SN2/SN1
Tableau : bilan HP
Nature de R, nature du nucléofuge, nature du nucléophile. TD
Introduction :
Etude de la liaison C-X. Halogène, 17e colonne du tableau périodique : F, Cl, Br, I, At.
Dérivés fluorés peu réactifs et astate radioactif, on se restreint donc aux dérivés chlorés,
bromés, iodés. HP
Différents usages des dérivés halogénés ICO et grand intérêt de ces dérivés comme
intermédiaires de synthèse en chimie organique. On va étudier leur réactivité pour
comprendre pourquoi.
I. Présentation des dérivés halogénés
1) Définition et nomenclature
Définition : R-X. Classes I, II, III. Nomenclature HP
2) Propriétés physiques
Etat physique à température ambiante, solubilité dans les solvants organique TD
évolution en mettant l'accent par ligne, valeurs
3) Relation structure/réactivité des C-X
Evolution électronégativité, longueur de liaison, énergie de liaison, polarisabilité avec
valeurs HP. Exploitation pour expliquer la différence de réactivité. Présenter polarité
ramenée à la longueur de liaison.
Echelle de réactivité. HP
Différents types de ruptures, homolytiques, hétérolytiques, ici on s'intéresse uniquement
aux ruptures hétérolytiques.
Schéma de molécules avec réactivité montrée : E, SN HP, TD
II. Substitution nucléophile
Schéma bilan. Exemple. 2 mécanismes limites possible. TD
1) SN2
Exemple. Loi de vitesse. Mécanisme. Inversion de Walden, dessiner de l'état de
transition. Profil réactionnel HP
Application : HP exemple : + un nouveau produit... issu de la réaction d'élimination.
III. Elimination
1) Bilans et conditions
Bilan sur exemple. HP Que se passe-t-il?
2) Régiosélectivité et stéréosélectivité
Règle de Zaïtsev. Régiosélectivité. Stéréosélectivité. HP, Tout-en-un p.828
Exemple ICO p.363
3) E2
Mécanisme, diagramme d'énergie, loi de vitesse, stéréochimie. HP
Exemple ICO p.361
Facteurs influençant la réaction HP
4) E1
Mécanisme, diagramme d'énergie, loi de vitesse, perte de la stéréochimie HP
Exemple HP
Facteurs influençant la réaction
Tableau récapitulatif
Conclusion : compétition E/SN
tableau récap
Exemple HP
LO 11 : Alcools et phénols (diols exclus)
Transition : Ces deux familles possèdent une réactivité commune due au groupement
hydroxyle.
II. Réactivités communes
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
Dérivés carbonylés, alcènes, aromatiques, SEAr, dérivés halogénés
ICO, T&D PCSI, Vollhardt, Hprépa PCSI, T&D PC, Carey T2+ T1,
Kocienski, HP PC, Kürti, Clayden, JD
Introduction :
Les alcools et les phénols sont des composés possédant un groupement hydroxyle. Ce
groupement est lié à un carbone tétragonal dans le cas de l'alcool et à un cycle
benzénique dans le cas d'un phénol. Ces composés sont présents dans de nombreux
composés naturels. Exemples : ICO p.380
Alcools comme phénols présentent un groupement hydroxyle et on va s’intéresser aux
points communs et aux différences entre ces deux familles de composés.
I. Présentation des alcools et phénols
1) Structure
TD PCSI p.559-561
Définition alcool/phénol + schéma
Alcool : C tétragonal. Diverses classes : ol I, ol II, ol III
Phénol : C trigonal, dans un cycle aromatique, cycle peut être substitué.
Exemple de nomenclature.
Géométrie autour de O. AX2E2, VSEPR : coudé comme l'eau.
2) Propriétés physiques
Liaisons H + moment dipolaire -> miscibilté, Teb, Tfus. TD PCSI p.561
Propriétés spectro ? TD PCSI
3) Synthèses attention distinguer synthèse industrielle et en labo TD
●
Alcool :
synthèse EtOH par enzyme (fermentation) Vollhardt p.276;
hydratation des alcènes (Markovnikov) TD PCSI p.329 application
industrielle : craquage pétrole (chap alcène)
hydroboration des alcènes (anti-Markovnikov) TD PC p.
réduction par hydrures (ex : camphre) Carey p.242
Phénol :
oxydation du cumène Vollhardt p.988 synthèse industrielle + mécanisme
Brückner
●
1) Propriétés acido-basiques
Liaison OH fortement polarisée -> H acide HP p.411, TD p.566
● couple ROH/ROpka=16 pour les alcools
pka=10 pour les phénols, justification de la stabilité par mésomérie, plus faible
Comment obtenir les RO-?
Alcoolate : base forte (ex : NaH), réducteur (ex:Na) ICO p.385
Phénolate : idem mais aussi base plus faible (ex : NaOH)
● couple ROH2+/ROH
pka=-2 pour alcool
pka=-7 pour phénol difficile à protonner car doublet délocalisé
Transition : RO- basique mais aussi nucléophile.
2) Propriétés nucléophiles
R-O- est bien meilleur nucléophile que ROH TD PCSI p.568
Ordre de nucléophilie. Nucléophilie comparées Carey T1 p.285
● Formation d'étheroxyde : Williamson
Bilan, mécanisme, conditions. Exemple HP p.414
Compétition substitution, élimination. Vollhardt p.261
Protection de fonction Kociencki p.235 (alcool) + Kocienski p.240 (phénol)
● Estérification :
Bilan, mécanisme, différentes conditions (acide carbo, chlorures d'acyle) TD p.573
Exemple : ICO p.697 + exemple aspirine Vollhardt p.991
Transition : Réactivité commune certes mais la présence du cycle benzénique sur le
phénol et le caractère saturé du C porteur de l'hydroxyle provoque des différences de
comportements.
III. Réactivité spécifique
1) Différences face à l'oxydation
a) alcool
Réactifs de Jones, Collins, Sarett HP PC p.611+ ICO p.409 Exemple
Application: éthylotest ICO p.411
b) phénol
Pas le même genre d'oxydation. Exemple : diphénol en quinone ICO p. 392
Antioxydant et révélateur argentique. ICO p.393
2) Réactivités spécifiques aux alcools
a) Substitution sur le C tétragonal
Passage aux halogénoalcanes TD PCSI p.571 Mécanisme
Exemple : ICO p.395 + application test Lucas TD PCSI p.573
b) déshydratation
Bilan et mécanisme TD p.575 Discussion E1/E2 selon la classe de l'alcool + Zaïtsev
Exemple : synthèse industrielle d'un mélange en parfumerie ICO p.397
3) Réactivité spécifiques des phénols
a) Substitution électrophile aromatique
Rappel règle de Hollemann avec groupement mésomère donneur.
Changement par rapport au benzène, pas besoin de catalyseur pour halogénation.
Mécanisme + Exemple Clayden p.554-557
Application : réaction de Kolbe-Schmitt formant un intermédiaire de l'aspirine. ICO,
Vollhardt, Kürti
b) Couplage oxydant
Bilan JD 86/87 +ICO p.392
Intérêt : formation du binaphtol (Atropoisomérie)
Conclusion : Bilan de la leçon.
Bien que réactivité proche, le groupement aromatique vient fortement moduler les
propriétés du phénol.
Application en tant qu’intermédiaire de synthèse. Mais certains composés ont une
application directe. Exemples d’antioxydants : vitamine E (phénol), exemples de solvant
et de produit de nettoyage/désinfectant : éthanol…
Ouverture aux polyphénol et polyol ou ouverture même genre de comportement pour les
amines aliphatiques VS aromatique.
LO 12 : Notions de contrôle cinétique et de contrôle
thermodynamique en chimie organique
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
Cinétique (lois de vitesse, Arrhénius, Eyring, intermédiaire réactionnel)
Chimie organique L1/L2 (Diels-Alder, dérivés carbonylés, alcènes,
réactivité des organométalliques)
Diagrammes d’orbitales moléculaires
Lalande, ICO, Hprépa PC, Tout-en-un PC, Carey T2, Rabasso
Hétéroélément
Introduction :
La mise en contact de réactifs conduit fréquemment à plusieurs évolutions possibles, que
ce soit en chimie organique ou inorganique... Lalande p.85 De même, une réaction
pouvant donner plusieurs produits ne conduit parfois qu’à un seul produit, ou à un
produit très majoritaire. Exemple : Diels Alder entre cyclopentadiène et anhydride
maléique ou entre furane et anhydride maléique, donner conditions exp ICO p 135
Comment expliquer la formation de 2 produits (exo ou endo) selon conditions
réactionnelles. On veut trouver des modèles pour pouvoir prévoir, interpréter 2 modèles
limites : cinétique et thermodynamique.
I. Notions de contrôle cinétique et thermodynamique
(15')
1) Position du problème
Ne pas opposer directement les 2 contrôles, parfois ils vont dans le même sens mais ce
n'est pas vraiment ce qui nous intéresse, on veut compétition pour pouvoir choisir.
D = A+B = C. Hypothèses : C plus stable, D se forme plus vite, températures constantes,
actes élémentaires .HP p.518
Allure du diagramme d’enthalpie libre sur transparents HP p.518
Transition : on veut trouver qui de C ou D se forme le plus vite selon les conditions
réactionnelles.
2) Etude cinétique
Temps court : équilibre non atteint HP p.519
Ecrire vitesse de réaction, , intégration, utilisation de Δr ≠G°, D produit cinétique qui se
forme le plus vite -> contrôle cinétique
●
● Temps long : équilibres atteints HP p.519
Loi d'action des masses, utilisation de ΔrG°, C produit thermo -> contrôle thermo
● Profil de réaction
Evolution des concentration en fonction de temps : graphe temps long, temps court sur
transparent Lalande p.86 ou utilisation logiciel cinéwin avec données HP p.520
Vérifier cohérence avec ce qu'on a dit avant, si K1/K2=2, C/D=2
Bilan contrôle thermo/cinétique sur transparent : HP p.520
Transition : le temps est un paramètre influençant la réaction mais ce n'est pas le seul.
3) Paramètres influençant le contrôle
Temps
Température : graphe Tout-en-un p.461, profil avec différentes températures. Ou
utiliser le logiciel CINEWIN pour pouvoir avoir des données exp, multiplier les
constantes de vitesses (la plus difficile par 3, la plus facile par 2, car quand on
augmente la température les plus difficiles sont favorisées, rappeler loi d'Arrhénius)
et remarquer que ça se translate vers la gauche.
Noter zone cinétique, thermo et de transition
On ne peut pas décorréler temps et T, on a juste produit thermo plus rapidement.
Retour sur l'exemple du début et l'expliquer avec contrôle thermo et cinétique. ICO
p.136-137
–
–
II. Sélectivité en fonction du type de contrôle
(20')
Addition de HBr sur le butadiène
Sur tansparents, donner l'équation bilan (Attention, ne pas oublier 3e produit
minoritaire, mais ne pas en parler tout de suite). Profil énergétique, tableau étude en
fonction de T et t, comparer ce qui est comparable, T même, t change et inverse.
Lalande p.113, Tout-en-un p.460
Mécanisme, même carbocation avec différentes formes mésomères.
1) Contrôle thermodynamique
Rapport des cstes d’équilibre détermine la proportion des produits. Calcul du ΔrGe* à
313 K Lalande p.113. Prévision en regardant la stabilité de la molécule finale. On peut
déplacer l’équilibre mais pas changer la sélectivité.
Exemple : cyclisation des sucres ICO p.558, anomères α et β.
Transition : Si on veut contrôler et favoriser la formation du produit désiré (pas
forcément le plus stable) -> contrôle cinétique
2) Contrôle cinétique
a) Postulat de Hammond
Enoncé Lalande p.90 -> Etat de transition précoce ou tardif. Utilisation de ce postulat
pour prévoir structures des IR. Travailler avec graphe en Ep.
b)Etat de transition tardif
Profil énergétique Lalande p.91 + explication exemple formation du carbocation étape
cinétiquement déterminante... Carbocation IIIaire plus stable -> formation majoritaire.
c) Etat de transition précoce
Profil énergétique Lalande p.91 + explication exemple addition radicalaire de HBr .
Raisonnement sur l'état initial.
Contrôle cinétique, état de transition précoce, hypothèse de non-croisement.
● Equation de Klopman-Salem
Donner version : ΔE=ΔEstérique + ΔEcharge + ΔEorbitalaire mais savoir d'où ça vient
ICO p.145
● Contrôle stérique
souvent supérieur aux 2 autres. Exemple: réduction du camphre ICO p.583
Explication avec modèle moléculaire, proportion, vérif contrôle stérique, changement de
Me en H, inversion de sélectivité, réducteur plus encombré renforce la sélectivité.
● Contrôle de charge
interaction coulombienne. Exemple hydroboration : contrôle stérique modulé par
contrôle de charge. ICO p.216 calcul des charges sur Hulis Donner électronégativité de
B et H , charges partielles ICO p.5
Exemple avec organométallique : attaque organolithien sur acroléine en 1,2 : contrôle de
charge calcul des charge sur Hulis, organocuprate, attaque en 1,4 ne peut pas s'expliquer
avec charge HP p.640
Rappeler HSAB : dur-dur : contrôle de charge, mou-mou : contrôle orbitalaire.
● Contrôle orbitalaire
exemple organocuprate, calcul des OF sur Hulis, hypothèse de Fukui. HP p.640
Retour sur exemple du début, explication avec OF et interactions secondaires
stabilisantes, Diels-Alder ICO p.240 endo majoritaire en condition cinétique
III. Stratégie de synthèse
(15')
1) Régiosélectivité
Formation d'un énolate -> 2 régioisomères différents. Conditions réactionnelles
différentes pour obtenir l'un ou l'autre. Contrôle cinétique, contrôle thermo. Carey p.6
Exemple Carey p.8
Transition : sélectivité d'un régioisomère mais aussi de stéréoisomères
2) Stéréosélectivité
Réaction de Wittig (mécanisme sur transparent) : produit (Z) majoritaire. Rabasso p.36
Un produit, produit cinétique, l'autre thermo. Pour obtenir l’alcène (E), modification de
Schlosser (mécanisme sur transparent). En changeant les conditions réactionnelles, on
change le produit majoritaire. Rabasso p.41
Conclusion : Etude stabilité produits et approche réactifs : quel produit est maj ? Ctrl
thermo subi, ctrl cin peut être influencé. Modèles d’approche ont un rôle prépondérant,
surtout en synthèse asymétrique.
LO 13 : Le bore en chimie organique
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L3
Alcènes (hydroboration), dérivés carbonylés, amines, stéréochimie,
oxydation, réduction, angle de Bürgi-Dunitz,
Emsley (The Element), T&D PC, Rabasso (Hétéroéléments), ICO,
Brückner, Kürti, Clayden, Carey T2, Hprépa PC
Introduction :
Bore découvert en 1808, développement de sa chimie dans les années 1950. Prix Nobel
Brown/Wittg en 1979 -> intérêt pour la chimie des hétéroéléments. ICO p.216
Maintenant chimie du bore très répandue, permet de nombreuses réactions,
intermédiaires de synthèses. Nous allons essayer de comprendre sa réactivité pour
comprendre son intérêt en chimie organique. Rabasso p.134
I. Le bore et ses composés
1) L'élément bore
Position dans la classif, symbole, Z, configuration élec, formule de Lewis, lacune (2pz
vide), électronégativité Pauling à comparer avec celles de C, O, H, électropositif.
Emsley (boron)
2) Les composés du bore
a) Le borane
Vous l'avez déjà rencontré! Rappel : formule avec lacune, VSEPR, AX 3 dimérisation,
stabilisation avec le solvant (liaison dative) TD p.363
b) Autres composés
Nomenclature sur transparents. Remarques certains sont tétravalents, VSEPR AX 4 ex :
NaBH4 que vous avez déjà rencontré. Rabasso p.134
Transition : Composés trivalent et tétravalent, permettent d'expliquer la réactivité du
bore
3) Réactivité
2 géométries possibles trigonal plan avec lacune ou tétraédrique avec charge négative
Trigonal plan : électrophile, acide de Lewis
Tétragonal : liaision B-R avec charges partielles : nucléophile (B-H : hydrure par
exemple)
Transition : la réactivité du bore repose sur le passage incessant entre ces formes
trigonales planes où le bore possède une lacune (ex. boranes), et les formes où le bore est
entouré de quatre substituants avec une géométrie tétraédrique (ex. borates.) ce qu'on va
voir tout de suite.
II.Obtention et réactivité des organoboranes
1) Hydroboration
Rappel sur transparents : bilan HP p.541
Régiosélectivité : on avait vu encombrement stérique. Exemples ICO p.216,
Mais aussi modulée par effets électroniques.
Exemple ICO p.216 : différence de sélectivité entre un alkylborane et styrène, calculs de
charges sur Hulis.
Stéréosélectivité : syn-addition, addition concertée
Stéréospécificité : sur alcène Z ou E -> on obtient un autre diastéréoisomère. Exemple à
inventer.
Mécanisme pour monoalkylation et possibilté d'aller jusqu'à trialkylation. Influence de
l'encombrement de l'alcène sur nombre d'alkylation.
Quelques alkylboranes particuliers : mono ou di : disiamylborane, thexylborane, 9-BBN
ICO p.217 + chiralité introduite avec α-pinène : diisipinocamphényborane ICO p.216
Hydroboration assymétrique en utilisant celui dont on vient de parler. Introduction d'un
centre stéréogène permet un transfert de chiralité Rabasso p.144
Transition : ok on a les organoborane et mnt? Comment réagissent-ils?
2) Formation de liaison C-O et C-N
a) Formation d'alcool
On a déjà vu, obtention alcool avec règle anti-Markovnikov. On avait vu hydrolyse par
H2O2+NaOH,
Mécanisme avec rétention de configuration. HP p.543 noter passage trivalent,
tétravalent.
Stéréosélectivité :
Peut être induite par le substrat. Exemple : Kürti p.67
Ou avec des alkyboranes chiraux. Hydroboration énantiosélective d'alcènes. Exemple :
ICO p.219
b) Formation d'amines
Même principe que formation de C-O. Réactif utilisé, mécanisme sur transparent.
Clayden p.1283. Exemple Carey p.206
3) Formation de liaisons C-C
Addition des allylboranes. Permet l'introduction d'une chaîne allyle sur un carbone.
Bilan.
Allyboration racémique. Différence avec alcène Z ou E. Mécanisme à six centres au
tableau avec état de transition.
Allyboration énantiosélective avec état de transition sur transparents + Exemple.
Rabasso p.158
Transition : Va-et-vient entre forme tétra et tri du bore. De plus changement de géométrie
implique changement de réactivité.
III. Réduction par les composés du bore
1) Par les hydrures de bore
Composés du bore nucéophiles, donneurs d'hydrures.
NaBH4.
T: Rappel mécanisme à 6 centres avec solvant sur transparent. Sélectivité préférentielle
al>one>énone. HP p.617
Chimiosélectivité
– Orienter en ajoutant des réactifs. Conditions de Luche : CeCl 3, Brückner p.275
explication
Exemple : Kürti p.269
– Orienter en changeant de composés borés. Clayden p.622
NaCNBH3 : sélectif des imines, CN électroattractif
LiBH4 : Li+, plus petit, plus dur, active plus le carbonyle
Stéréosélectivité
Exemple camphre : ICO p.144 modèle moléculaire, attaque angle de Bügi Dunitz.
Utilisation du L-sélectride, encombrement stérique
Transition : C'était des comportements de réducteurs nucléophiles mais il existe aussi des
réducteurs électrophiles
2) Par le borane
Différence, ce n'est pas un ion et il est acide de Lewis. Réactivité différente, réduit acide
carboxylique. Explication Clayden p.619
Exemple comparatif : BH3/LiBH4 Clayden p.620
Conclusion : Bilan de la leçon.
Grande gamme de réactivité, liste non-exhaustive. Ex : couplage de Suzuki Kürti p.
448. Fragment clé d’un antitumoral. Kürti p. 448 En effet, grand intérêt des composés
borés : non-toxicité, peut être utilisé dans la synthèse de médicaments. Rabasso p.134
p.1027
LO 14 : Réactions radicalaires
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L3
Contrôle cinétique/thermodynamique, orbitales moléculaires, chimie
organique L1/L2
Fossey, Clayden, Brückner, ICO, JD (exp), Barsu
Introduction : Fossey p.21
Les processus radicalaires interviennent dans de nombreux domaines de la chimie :
combustion, autooxydation, atmosphère... La chimie radicalaire est un outil précieux
pour le chimiste organicien, pour construction de molécules complexes.
Phistorique : premier radical : triphénylméthyle. 1ères synthèses par voie radicalaires.
Dans cette leçon, on va étudier plus précisément certaines réactions radicalaires mais
pour bien les comprendre, on va tout d'abord s'intéresser aux radicaux en eux-même.
I. Les radicaux
1) Présentation et formation
Définition radical : atome ou molécule qui possède un électron célibataire. Clayden
p.1022. Radical AR3 : structure place au pyramidale, AR2 : structure linéaire ou coudée.
Fossey p.39. Attention VSEPR pas applicable ici!
Formation :
● A partir de molécules non radicalaires :
Par homolyse de liaison faibles, activation photochimique ou hautes températures,
exemples et donner valeurs d'énergies de liaison Clayden p.1020 attention enthalpie de
dissociation à noter ΔrH°.
● A partir d'autres radicaux :
Par substitution radicalaire, addition radicalaire, réduction radicalaire, élimination
radicalaire + exemples pour chacun Clayden p.1023
La plupart des radicaux sont très réactifs (comme on le verra par la suite) mais il existe
des radicaux persistants. Exemples Clayden p.1024.
Transition : Mais pourquoi sont-ils stables?
2) Stabilité
Thermodynamique
Valeurs d'enthalpie de dissociation pour radicaux alkyle, benzyle et allyle. Clayden
p.1026 Explication de cette stabilité avec, IIIaire plus stable que Iiaire, plus stable que
Iaire (hyperconjugaison), délocalisation électronique (+exemple), Fossey p.54 effet de
substituants électroattracteur ou électrodonneur (exemples+diagramme) Clayden
●
● Cinétique
Facteurs stériques Fossey p.56, retour sur le transparent des radicaux inertes.
Transition : Cela explique la stabilité des radicaux qui peuvent avoir ainsi un temps de
vie plus long mais ce qui va surtout nous intéresser c'est leur réactivité.
3) Réactivité
Radicaux peuvent avoir un caractère électrophile ou nucléophile. Fossey p.73
SO réagit avec HO et BV d'un autre réactif, différents comportements si SO de faible ou
de haute énergie Clayden p.1045
Transition : Nous allons tout de suite nous servir de cette réactivité pour l'interconversion
de fonction.
II. Interconversion de fonctions
1) Fonctionnalisation : halogénation en position allylique
Sur tansparents, rappel halogénation radicalaire (amorçage, propagation, terminaison,
effet Karash) Clayden p.1035 Exemple : bromation du cyclohéxène : 2 produits, on n'en
veut qu'un!
On obtient le produit désiré avec l'halogène en position allylique en utilisant NBS.
Clayden p.1038 Mécanisme, NBS permet faible concentration en Br2, contrôle régio et
chimio sélectivité de la réaction.
Transition : On peut introduire des halogènes mais on peut aussi les enlever! ;-)
2) Défonctionnalisation
Réduction des halogéno-alcanes
Exemple Clayden p.1041 Justification de l'utilisation de AIBN : préciser énergies de
liaisons pour justifier celles qu'on casse! Mécanisme sur transparent.
●
● Réaction de Barton McCombie
Exemple sur cholestérol Brückner p.34 Mécanisme tableau
Transition : Avec ces défonctionnalisations, on a vu des réductions de carbones, mais on
peut également les oxyder.
3) Oxydation des alcanes
Auto-oxydation du cumène Brückner p.31 Bilan + mécanisme sur transparent.
Application industrielle, par réarrangement, on obtient acétone et phénol.
Transition : Un autre grand intérêt des réactions radicalaires, défi des chimistes orga :
création de liaisons C-C. Notament en industrie : polymérisations
III. Création de liaison C-C
1) Polymérisation du styrène
Polymérisation industrielle atactique. Mécanisme JD 41 + blabla ICO p.222
Transition : Création aussi de liaison C-C en labo.
2) Addition d'un halogénoalcane sur un alcène
Bilan, mécanisme. Justifier régiosélectivité avec stabilité des radicaux, donner valeurs
d'énergie de liaisons. Sélectivité. Exemple Clayden p.1042-1045 + Barsu 2006
Transition : Nous n'avons vu jusque là que les réactions radicales, + molécules à spin
appariées, on peut aussi créer des liaisons C-C par combinaisons de radicaux.
3) Réactions de couplage (si le temps)
Couplage pinacolique
Bilan et mécanisme Clayden p.1030
Exemple :
●
● Réaction acyloïne
Bilan et mécanisme Clayden p.1032
Application à la formation de petits cycles + exemple
Conclusion :
Bilan
Radicaux présents dans l'oganismes, enzymes qui détruisent les radicaux pour maintenir
intégrité de la cellule. Ex : cytochrome, vitamine C Fossey p.201
Mécanisme addition 1,2 avec RLi et addition 1,4 avec R2CuLi. TD
LO 15 : Réactions faisant intervenir des carbanions
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
Contrôle cinétique/thermodynamique, régiosélectivité/stéréosélectivité,
acide/base, théorie HSAB, théorie de Hückel et OF.
ICO, Hprépa PC, Vollhardt, Rabasso T1&2, Carey T2, Brückner,
Tec&Doc, Lalande
Introduction :
Définition carbanion : espèce anionique dont la charge est portée par un atome de
carbone. Historiquement, premier carbanion isolé : sels de Meisenheimer ICO p.154
Associés à un cation, le plus souvent métallique mais rarement sels : souvent transfert de
charge du carbanion vers le cation associé pour le stabiliser => liaison covalente ou
faiblement ionique. 2 cas de carbanions : organométalliques, composés issus de
déprotonnation.
Carbanions interviennent dans la synthèse de liaison C-C et C=C. On va s'intéresser à
trois grandes classes de carbanions et à leur réactivité.
I. Les organométalliques
Liaison C-M polarisée, trois espèces : R-Li, R-Mg-X, R2-Cu-Li
1) Synthèse
Bilan et conditions. HP p.639
Exemples : addition oxydante : RMgX ICO p.368, échange halogène-métal : RLi ICO
p.518, R2CuLi Vollhardt p.793
2) Réactivité
Transition : Dans le mécanisme de l'addition 1,4 on voit apparaître un autre carbanion :
énolate (écriture formes mésomères)
II. Les énolates
1) Formation
Enolates cinétiques/thermodynamiques. Pka + bases utilisées pour les former. Facteurs
influençant l'un ou l'autres sur forme de tableau + exemple Carey T2 p.8 + HP p.629
2) Réactivité
2 sites de réactivité O et C. Ici on ne va s'intéresser qu'à la C-alkylation. Réaction
particulière : condensation aldolique.
● Condensation aldolique :
Bilan + mécanisme Carey T2 p.55 + HP p.631
● Condensation aldolique croisée :
Problématique de l'aldolisation croisée : 4 produits possibles. HP p.633 + Lalande
Solutions : excès base forte (formation complète énolate) et ajout goutte à goutte du
carbonyle; utilisation d'éther d'énol silylés ou aza-énolates Clayden p.700
Transition : On a vu des carbanions stabilisés par mésomérie, peuvent aussi être
stabilisés par la présence d'hétéroatomes en α.
III. Carbanions en α d'hétéroatome
1) Ylure de phosphore
Synthèse : Vollhardt p.748 Structure.
Réaction de Wittig : stéréosélectivité : ylures stabilisés (E), non stabilisés (Z)
Mécanisme, passage par oxaphosphétane mais pas connu parfaitement.
Application : synthèse du bombykol Clayden p.818+ Rabasso T2 + synthèse de la
vitamine A1 Vollhardt p.750
a) Basicité
Bases très fortes pKa > 50. Exemple : synthèse LDA ICO p.509 donner les pka des
différentes espèces impliquées Rabasso T1
(Intérêt LDA, base encombrée non nucléophile : exemple Brückner p.131)
Synthèse :
b) Nucléophilie
- sur un dérivé halogéné : SN2 ICO p.536
- sur un époxyde : attaque sur le C le moins encombré ICO p.541
● AN :
- sur des carbonyles Vollhardt p.298
- sur des α-énones : résultats exp TD p.513
Explication : pourcentage ionique des liaisons HP matériaux, contrôle de
charge/orbitalaire TD p.513 + calculs Hulis sur acroléine
Conclusion :
Schéma récapitulatif ICO p.155
Polymérisation anionique polycyanoacrylate de méthyl/polystyrène ICO p.225
●
SN :
2) Ylure de soufre
- ylure de sulfonium Clayden p.1259
- ylure de sulfoxonium Brückner p.308 + Clayden p.1265
Réactivité comparée avec le phosphore Clayden p.1259
Réactivité comparée sulfonium/sulfoxonium Brückner p.312
Application à la synthèse d'un β-bloquant Clayden p.1259
–
LO 16 : Réactions d'élimination en chimie organique
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
Dérivés halogénés (SN2/SN1),
Hprépa Tout-en-un PCSI (neuf), Carey T1, Clayden, ICO,
Rabasso (1er cycle), Vollhardt, Kocienski, Brückner
Introduction :
Définition élimination. Brückner p.117
T : Différents types d'élimination : si groupes partants sur même C : α (vers carbène), si
sur deux C voisins β (alcène), si sur deux C séparés par un C : γ (diradical,
cyclopropane). On se restreint à la β-élimination, voir d'accès aux doubles liaisons C=C.
Carey p.368 + Brückner p.117
II. Présentation des 3 mécanismes limites
1) Elimination bimoléculaire : E2
* Observation : Exemple HP p.370
Cinétique globale d'ordre 2 (parallèle avec SN2), stéréochimie déterminée, HP
Conformation : Exemple du cyclohexane substitué suivant que H en anti ou pas, réaction
rapide ou lente, donc attaque antipériplanaire. Vollhardt p.259
* Description du mécanisme E2, le faire en partant du (R,S), du (R,R) => on retrouve
bien les observations expérimentales.
* Elimination sur le 2-bromo-3-méthylpentane HP p.371
(R,S) -> Z maj et (R,R) -> E maj.
* Conséquence du mécanisme : réaction stéréospécifique, régiosélectivité de type
Zaïtsev. ICO p.362 + Carey T1 p.375
(* Tracé du profil réactionnel.)
Transition : Ici H et nucléofuge partent en même temps et si nucléofuge part en premier?
2) Elimination monomoléculaire : E1
I. Position du problème
1) Faits expérimentaux
On remarque que lors de réactions d'éliminations se posent de nombreux problèmes de
régiosélectivités et stéréosélectivités.
Exemples :
Brückner p.133, régiosélectivité différente => on remarque que la base change entre les
deux.
ICO p.362, régiosélectivité différente => on remarque que le nucléofuge change entre
les deux
… + plus d'autres présentés à la fil.
2) Deux règles importantes
Pb : Régiosélectivité : règle de Zaïtsev/ Hofmann ICO p.363 + HPrépa p.369
Stéréosélectivité : alcène Z ou E
Ces exemples montrent que différents paramètres interviennent pour orienter les
réactions (nucléofuge/base/solvant/groupe stabilisant)
Transition : la compréhension des mécanismes limites de la β-élimination vont permettre
de comprendre et résoudre ces problèmes de sélectivité.
Il y a trois types de possibilité pour réaliser l'élimination :
T:
- soit on enlève le nucléofuge en premier puis H
- soit on enlève nucléofuge et H en même temps
– soit on élimine d'abord H puis nucléofuge
* Observation : Exemple HP p.374
Cinétique globale d'ordre 1 (parallèle avec SN1), absence de stéréochimie.
* Description du mécanisme E1 => stabilisation du carbocation favorise sa formation.
* Conséquence du mécanisme : régiosélectivité Zaïtsev, stéréosélectivité : alcène E se
forme le plus vite (et c'est aussi le plus stable) Clayden p.488-490 + ICO p.362 +
Carey T1 p.375
(* Tracé du profil réactionnel)
Transition : Enfin, il faut envisager le cas où H part en premier.
3) Elimination monomoléculaire E1cb
* Bilan Clayden p.495
Contrairement à E1, on ne forme pas cation mais anion -> mécanisme à proximité de
groupement carbonyle, carbanion stabilisé par mésomérie. Clayden p.495
Exemple : crotonisation. Mécanisme, étape cinétiquement déterminante.
Régiosélectivité : Hofmann si contrôle cinétique ICO p.362, Carey T1 p.376
Application déprotection du Fmoc. Mécanisme sur transparents. Clayden p.496
+Kocienski p.485 + Brückner p.146
Bilan partiel sous forme de tableau
Mécanismes
E1
E2
E1cb
Groupe partant
bon
bon
mauvais
Stab C+
-
Stab C-
Substituant
Régio
Acidité du H
Zaïtsev
Zaïtsev
Hoffman
faible
faible
forte
Transition :Rappel, il sagit de mécanismes limites, la réalité se trouve souvent entre ces
mécanismes. On a vu qu'on obtenait plusieurs produits selon le mécanisme. Comment
favoriser l'un de ces mécanismes?
III. Sélectivité et orientation des réactions d'élimination
1) Modèle de l'état de transition variable
Carey T2
Transition : Retour sur les exemples donnés au début pour les expliquer.
2) Influence de la base
Une élimination E2 prend un caractère E1cb avec les bases encombrées. Exemple +
explication Brückner p.133
ICO p.363 + Carey T1 p.376
Transition : mais en utilisant une seule et même base eet changeant le partant, on peut
aussi changer la sélectivité.
2) Influence du nucléofuge
* Les sels de triméthylammonium peuvent favoriser une E1cb car leurs effets inductifs
exhaltent l'acidité des protons en β. Cet effet est décisif. Exemple + explication
Brückner p.133 + Carey T1 p.377
* Retour sur l'exemple du début ICO p.362 + Carey T2 p.378
Bons groupements partants favorisent une E1?
Si le temps : Application en chimie organique : Pour obtenir l'alcène souhaité, on fait
attention aux conditions utilisées et on modifie le nucléofuge. Rabasso p.304-305
Illustration avec modèle moléculaire
Transition : on peut regarder aussi l'influence du substituant.
3) Influence du substituant
* E1/E2 : substituants stabilisant un carbocation favorise le caractère E1.
* E1cb : régiosélectivté dépend des substituants qui induisent l'acidité du H en α.
Exenple de la crotonisation.
4) Influence du solvant
Daumarie concours p.165
Sélection E2/E1 selon le solvant utilisé.
E2 ->(Z) / E1 ->(E)
Conclusion :
Bilan.
Les réactions de β-éliminations sont des méthodes historiques d'accès aux C=C.
Attention à la compétition avec les SN. Autre jeu sur les conditions avec oléfination de
Peterson. Aujourd'hui à cause du nombre important de sous-produits pour créer des
liaisons C=C on leur préfèrera d'autres réactions que nous verrons plus tard.
LO 17 : Oxydation en chimie organique
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L3
réactivité de base des alcènes, alcools, époxydation par le mCPBA,
oxydo-réduction en chimie organique.
OCP 6 (oxydation), ICO, Carey T2, Rabasso (Hétéroélément)
Introduction :
Définition du DO en chimie inorganique.
Application à l’éthanol et à l’iso-propanol sur transparent. Le carbone fonctionnel n’a
pas le même DO. C’est problématique car en orga on aime bien classer les molécules par
leur réactivité (ce sont 2 alcools !). On introduit la notion de classe d’oxydation.
Transparent : les classes d’oxydation avec des exemples. OCP p.2. Oxydation : passage
d'une classe à l'autre.
Il y a plusieurs enjeux avec les réactions d'oxydations : réussir à gérer chimio, régio,
stéréo, énantio-sélectivité. Pour cela de nombreuses réactions ont été proposées. On va
en voir quelques unes.
I. Oxydations des doubles liaisons C=C
1) Epoxydation
- chimiosélectivité : Rappel : mCPBA réagit sur les C=C enrichies en électrons. Bilan sur
transparent. Exemple avec régiosélectivité. Carey p.632 Et qu’en est-il des C=C
appauvries en électrons ?
Ex d’une énone. C’est un électrophile. On fait réagir l’eau oxygénée en milieu basique
(= nucléophile). Mécanisme au tableau.
Exemples : Carey p 632 (eau oxygénée). ICO p 204 (mCPBA avec chimiosélectivité)
- stéréosélectivité : Epoxydation sur alcènes Z ou E : on obtient l’époxyde cis et trans ->
diastéréospécificité.
Si on dissymétrise le substrat ou le réactif, on peut être énantiosélectif.
Exemple : époxydation de Sharpless, alcools allyliques peuvent être époxydés
stéréosélectivement. Clayden Exemple. OCP p.16
2) Dihydroxylation
- antihydroxylation : Rappel par ouverture des époxydes. Exemple : Carey p.636
Rappel: régiosélectivité.
- synhydroxylation :
*KMnO4 DO=VII très bon oxydant … trop bon oxydant.
T : couples de Mn à prendre en compte en conditions acides VS basiques. E°’. ICO
p208.
On utilise donc KMnO4 en conditions basiques, sous forme diluée, à basse température.
* OsO4 DO=VIII très bon oxydant.
T : étapes-clefs du mécanisme (quoique mal connu). Addition quantitative de OsO4 sur
double C=C (sélectivité !!)
A priori, il faut OsO4 en quantité stoechiométrique. Grâce à un co-oxydant, on peut
l’utiliser en condition cata.
T : équation bilan de la ré-oxydation de OsO4 par NMO. Ex ICO p211 + OCP p.21
Transition : On a obtenu des alcools, mais on peut pousser l'oxydation encore plus loin.
II. Oxydation des alcools
1) par les dérivés chromés
Utilisation de Cr(VI) soit sous forme d’anhydride chromique, soit sous forme d’anion
dichromate. Equilibre entre les deux. Carey p.615
* Réactif de Jones : CrO3 dans l’eau. Il s’hydrate en CrO4H2 = CrO4H- + H+.
T : bilan de la formation de l’ester chromate. Mécanisme d’abstraction du proton.
Formation d’une C=O. Equilibre avec gem-diol. Formation d’un nouvel ester chromate.
Obtention de l’acide carboxylique pour les alcools primaires. Exemple ICO p.409
Ex des éthylotests. ICO p.411
Comment avoir l’aldéhyde ? Ne pas travailler dans l’eau. Présentation des réactifs de
Sarett, Collins, PCC, PDC. Rabasso p.188 + OCP p.26
T : ICO p 409 ex 8 (malgré la légère acidité de PCC, l’acétal est maintenu !).
Pb : dérivés chromés dangereux.
Transition : autres façons de s'arrêter à l'aldéhyde.
2) par des molécules organiques
*Swern. Bilan et exemple ICO p 413 + Carey p.622
Explication des étapes en faisant le mécanisme au tableau.
*Dess-Martin. Mécanisme sur transparent. Exemple OCP p.27
T : exemple comparant Swern et Dess-Martin Rabasso p.190
Transition : Et quand on a la cétone ou l'aldéhyde, on peut encore aller plus loin.
III. Clivages oxydants
1) Réaction de Bayer-Villiger
T : ex ICO p 639 + mécanisme.
Explication, OCP p.40 migration du groupement le plus riche en électrons +
Groupement en position anti-périplanaire. Rabasso p.210
On est donc capable d’oxyder les alcools IIaires au-delà des cétones !
2) Ozonolyse
T : ex ICO p215 + mécanisme. Rappel des différentes conditions et traitement. OCP
p.37
3) Clivage des diols (si le temps)
Exemple OCP p.39 Mécanisme avec degré d'oxydation de I.
Conclusion :
Bilan + Bcp d'autres réactions qu'on a pas vu mais super intéressantes aussi. Procédé
Wacker...
Contrairement à la chimie inorganique, on cherche à être très sélectif (la condition sur
les E° n’est pas suffisante.)
Intérêt actuel autour de l’oxydation des liaisons C-H sur C non fonctionnalisé. Cas
faciles (allyliques et benzyliques, ex. toluène, acide benzoïque au permanganate). Cas
difficiles : la nature le fait mieux que nous (cytochromes P450 et détoxification),
industrie : pétrochimie et valorisation des hydrocarbures, chimie fine : sélectivité = gros
défi en recherche
LO 18 : Les diènes (allènes exclus)
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
alcènes, réactivité des alcènes (AE, époxydation, hydroboration),
conjugaison, Hückel, théorème des OF
ICO, JD, Clayden, Vollhardt, Lalande,Weissermel, Carey T2, NTA,
Hprépa PC, OCP 67 (pericyclic)
Introduction :
ICO p235 Leçon précédente sur les alcènes mais il existe de nombreuses molécules
avec de nombreuses liaisons C=C. Exemple : isoprène, limonène, caoutchouc naturel.
Ici on va se restreindre aux diènes : définition.
Application : précurseurs de nombreuses macromolécule (butadiène 6 Mt/an).
Pourquoi ? Différence avec les alcènes ?
Pour répondre à cela, on va devoir étudier plus précisément les propriétés des diènes et
comprendre ce qui les différencie des alcènes. On fera entre autre la distinction entre
diène non conjugué (exemple) et conjugué (exemple).
I. Propriétés générales des diènes
(15')
1)Etudes spectroscopiques
ICO p233
Diènes non conjugués comme les alcènes.
Diènes conjuguées, on l’a vu, diminution de l’écart HO-BV. Donc énergie de la
transition π vers π* diminue.
*En UV : effet bathochrome (170-185 à 220), (effet hyperchrome (ε augmente, du à
l’accroissement de la section efficace de capture du rayonnement avec la taille des
molécules)
*En IR, l’indice de liaison diminue à cause de la conjugaison donc le nombre d’onde de
la C=C diminue. Calcul indice de liaison par Huckel. νC=C diminue.
*En RMN : même chose que pour les alcènes.
2) Etude orbitalaire
*Diènes à 2 C=C non conjuguées : même chose que pour les alcènes. Rappel forme et
énergie de HO et BV.
*Diènes à 2 C=C conjuguées :
Stabilité thermodynamique : Info apporté par l’enthalpie d’hydrogénation des diènes =>
+ stables car énergie de résonnance. Comment on peut retrouver ça avec les orbitales ?
Forme et énergie de HO et BV. Calcul de l’énergie de résonnance du butadiène par
rapport au but-1-ène.
Ecart HO-BV diminue avec la conjugaison.
3) Réactivité ICO
* Base de Lewis, addition électrophile, chélation avec métaux.
* Liaison π plus faible, donc rupture facile et plus réactifs.
* HO plus haute (bathochrome), donc plus réactif vis-à-vis des attaques électrophiles.
* BV plus basse -> plus sensible aux attaques nucléophiles (polymérisation) sur orbitales
HO,
* Remarque : on a dit plus stable et plus réactif. Contradictoire ? Non. Plus stable
thermodynamiquement, mais moins stable cinétiquement, plus réactifs.
Mais attention, se posera des problèmes de régiosélectivité !
Transition : Quand les diènes sont non conjugués, on pourrait penser que rien ne les
distinguent des autres alcènes.
II. Réactivité des diènes non conjugués
(15')
Ca peut poser des problème de régiosélectivité.
1) Deux liaisons C=C en compétition
a) Influence de la gêne stérique
ICO p218 Exemple sur l’hydroboration.
Rappel sur T du mécanisme. Et noter grande étapes aux tableau : synthèse d’un
organoborane (syn-addition) et oxydation de l’alkylborane.
b) Influence de la richesse en électron
* C=C riche en électron : alcène riche en électron réagit comme nucléophile avec
mCPBA ICO p204
* C=C appauvrie en électron, cas des alpha-ènones : alcène réagit en tant qu’électrophile
avec H2O2 (Carey T2 p.632, les oxydations)
http://www.hulis.free.fr/. ICO (voir JD 21 et JD 22)
Transition : Mais au delà de ces problèmes de régiosélectivité, avoir deux C=C permet
une réactivité particulière intéressante.
2) Réactivité spécifique d’un diène non conjugué
ICO p.255, Clayden p.949, OCP p253-254
Transposition sigmatropique : Transposition de Claisen et de Cope
Notion de transposition sigmatropique.
Bilan.
Mécanisme (sans justification orbitalaire)
Stéréosélectivité : ET chaise.
Application : synthèse du beta-sinensal (suite d’une Claisen et d’une Cope)
Transition : Deux doubles liaisons sur une même molécule apporte donc une réactivité
intéressante et cette réactivité est encore plus riche quand les diènes sont conjugués.
III. Réactivité des diènes conjugués
(20')
1) Addition électrophile
ICO p237 Vollhardt p617 et Lalande.
*On va voir un exemple d’addition électrophile, addition de HX
Rappel : addition de HX sur alcène donne un seul produit avec régio Markovnikov. T
ICO p.192 ex 2
Addition de HX sur diènes donne différents produits selon la manière dont est conduite
l’hydrohalogénation. Produits d’addition 1,2 et 1,4.
Bilan et mécanisme.
Analyse du produit thermo et cinétique. Sous contrôle cinétique : addition 1,2 car forme
mésomère du carbocation la plus représentative et charge + la plus grande et proximité
spatiale.
Sous contrôle thermo, addition 1,4 car plus stable !
Faire profil Ep en fonction de CR.
*Si le temps, addition de Br2 Vollhart
Addition de Br2 : mélange de produits
Test des alcènes, coloration de l’eau de brome.
*Récapitulatif du Vollhardt
Transition : exemple ICO avec problème de stéréosélectivité.
c) Stéréosélectivité
ICO (Clayden, NTA) On reprend l’exemple de la dimérisation du cyclopentadiène car
plus simple. Notion d’approche endo/exo. On revient sur l’exemple. Régio ok, on
regarde la stéréo et on explique les résultats obtenus. Réaction de DA
diastéréospécifique. Interactions secondaires. Représentation sur transparent et modèle
moléculaire avec orbitales
Transition : pour utiliser le cyclopentadiène on doit le dé-dimériser avant ! Précaution
d’emploi ! De même, la plupart des diènes doivent être conservé avec des inhibiteurs de
radicaux car polymérisation facile !
3) Polymérisation
ICO p251, HP et Vollhardt
Importance de la polymérisation du buta-1,3-diène, cf ce que la nature fait avec
biosynthèse de grosse molécule à base d’isoprène. Synthèse du caoutchouc à partir de
l’isoprène : synthèse anionique industrielle la plus importante.
Marche bien avec diène conjugué car on a stabilisation du carbocation formé.
Etape à détailler au tableau.
Régiosélectivité tête à queue.
Remarque : Polymérisation facile par voie radicalaire.
2) Réaction de Diels-Alder Lalande ICO (Clayden et NTA)
a) Présentation Lalande et ICO pour exemples.
Bilan sur butadiène + éthène Lalande.
Définition ; cycloaddition 2+4. Définition diène et diénophile. Configuration cis pour le
diène!
Etude de la réaction simple butadiène et éthène.
Réaction concertée, asynchrone => mécanisme
Suprasupra : exemple de résultats. Diastéréospécificité. Exemple ICO
Diagramme d’OM : interaction HO-BV au tableau. En fait écart trop grand HO-BV entre
butadiène et éthène donc rendement mauvais. (car réaction sous contrôle cinétique! sous
contrôle thermo on obtient produit exo)
Effet de substituant : règle d’Alder, exemple et diagramme T.
Transition : exemple 8 p.240 ICO avec problème de régiosélectivité.
b) Régiosélectivité
http://www.hulis.free.fr/ Réaction régiosélective. Fukui : OF et + gros coefficient en
valeur absolue, règle du recouvrement max. (gouvernée par recouvrement orbitalaire)
Donner la régiosélectivité selon la position du gpmt donneur sur le diène : ex 7 et 8 de
l’ICO p.240.
Conclusion :
Réactivité très intéressante des diènes non conj et conjugués donc. Permet aussi des
cyclisation et notament la synthèse de macrocyle. Ouvrir sur la méthatèse cyclisante
ICO p230. Exemple ICO on obtient le cycle avec un bien meilleur rendement que si on
avait essayer de le fermer avec lactonisation.
(Dans la nature on trouve de nombreux polyènes conjugués qui de par leur forte
conjugaison et l’effet bathochrome qu’elle induit sont utilisés comme colorants/ ==. Ex
béta carotène.)
LO 19 : Les organométalliques en chimie organique
(métaux de transition exclus)
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
Acide/Base, Nucléophilie/électrophilie, Substitution/nucléophile,
Dérivés halogénés, Dérivés carbonylés, Acides carboxyliques et
dérivés, Époxydes, organomagnésien, notion de chimie radicalaire.
ICO, HP PCSI, Astruc, Clayden, Brückner, Kürti, Carey T2,
Introduction :
* Définition d’un composé organométallique, halogénure d’organométaux : composé
contenant une liaison C-M. ICO p.499
* Cadre d’étude. Beaucoup de métaux (montrer une classif périodique ICO p.499)
Définition métal et métal de transition. Nous on se limite à ceux des blocs S et P, cibler
ceux qu’on va évoquer (Al, Zn, Sn, Mg, Li…)
* Historique ICO p365 (dérivés halogénés) et 502
* Très grande utilité en chimie organique depuis!! Clayden p. 210, chap
organométalliques Exemples : Hormone juvénile : 7 sur les 16 liaisons ont été formés à
partir d’organométalliques. Inhibiteur d’enzyme : 8 des 20 liaisons créées par des
réactions avec des organométalliques .
* Objectif de la leçon : comprendre l’intérêt de ses composés en chimie organique, leur
synthèse, leur réactivité...
I.Généralités
(10')
1) Présentation
* Deux grands types : alkylmétaux et halogénures d'alkyles métaux. ICO p.499 et
suivantes Nomenclature
* Etat naturel : rare!
* Utilisation comme produits pharmaceutiques (mercurochrome...) ICO p.501,
plastifiant de matériaux macromoléculaire... très utilisé en synthèse. Attention toxicité.
ICO p.503
Transition : Maintenant voyons voir ce qu'apporte cette liaison particulière liaison C-M
qui font toutes leurs caractéristiques aux organométalliques
2) La liaison C-M
*Electronégativité (C sp sp2 sp3), polarisation de la CM, caractère ionique, effet
UMPOLUNG donc possibilité de créer des liaisons carbone-carbone. Energie de liaison
assez faible (ex pour MeLi. ) ICO p.504
*Organométalliques : environ carbanions , « doublet quasi libre » => Base de Brönsted,
nucléophile et métal = acide de lewis.
(Remarque : voir le Clayden p.210 pour diagramme d’OM de Me-Li et justification de
ce caractère de DNL porté par le C. La réalité est plus complexe car dimères etc… (à
montrer dans la leçon ?) )
Transition : Ces propriétés vont avoir un impact direct sur les solvants utilisables.
3) Rôle du solvant et structure
* Choix du solvant pour la stabilisation HP PCSI organomagnésien, lacune de Mg =>
déjà vu. (caractère acide de Lewis du métal) schéma sur transparent.
* Discuter choix du solvant pour stockage ICO p.506 (caractère basique)
Les butyllithiums ne peuvent être stockés dans les éthers car ils les déprotonnent donc on
préfèrera les alcanes.
* Influence sur la structure
- RMgX équilibre de Schlenck Astruc p293, ICO p505
- RLi : tétramères, dilmères, oligomeres ICO 506, Astruc p.288
- Al : dimères Astruc p 322
Les dérivés AlR3 sont les seuls du groupe 13 à se dimériser à l’état solide et aussi en
solution. Freinée par les gros substituants. Astruc p. 322. Structure ICO p. 504
- L’agrégation dépend du solvant
Pourquoi s’intéresser à l’agrégation, qu’est-ce que ça change ?
=> Rôle du solvant sur la basicité ICO p. 506
Les solvants dipolaires aprotiques qui solvatent spécifiquement les cations, provoquent
une désagrégation des structures dimères, tétramères, hexamères qui sont les plus
communes pour ces composés en solution dans les alcanes ou l’oxyde d’éthyle. Or, la
structure monomérique est beaucoup plus réactive qu’une structure oligomérique.
Transition : on a vu que très basique, très réactif, donc pas tous commerciaux, rares à
l’état naturel… Comment on les synthétise ?
II. Préparation des organométalliques
(20')
1) Addition oxydante sur le métal
- RMgX, RLi , R2Zn ICO p.368 réaction redox. Bilan et ex. Calcul de DO, ICO p366
(dérivés halogénés)
organicadmien Carey p.392
-Montage pour leur synthèse => réactions parasites envisageables et précautions prises
du coup (rappel sur transparent)
-Réactions parasites : oxygénation et couplage de Wurtz HPrépa p254
Transition : Quand cette technique très classique n’est pas possible, on a recours à une
autre méthode… ICO p. 517 (vinyllithium, halogénures de vinylmagnésium,
allyllithium…). De plus, la préparation des halogénures d’organozincs par insertion ne
marche que sur les dérivés iodés, les plus difficiles et les plus coûteux à préparer ICO p.
519
2) Echange halogène-métal
*Principe : ICO p.517 appariement entre espèce les plus dures.
Avec Li seul => perte partielle de la stéréochimie.
*Exemples avec rétention de configuration : RMgX, RLi , R2Zn ICO p.518
Transition : On joue sur la différence de force de la base pour déplacer cette réaction. On
peut également utiliser le caractère basique d’une autre façon…
3) Echange hydrogène-métal
- Formation des alcynures. Clayden p.213 (principe avec pKa et exemple)
- Ortholithiation. Principe Clayden p.214 + ICO p.512 et exemple ICO p513 synthèse
d’un intermédiaire du fludioxinil (fongicide agricole)
4) Echange métal-métal
*Principe Clayden p. 217
Les organolithiens peuvent être transformés en d’autres organométalliques en les traitant
par le sel d’un métal moins électropositif. Le lithium, plus électropositif, passe en
solution sous forme d’un sel ionique, alors que le métal moins électropositif (Mg, Ce,
…) récupère le groupement alkyle.
* Organoétains fortement utilisé pour former lithien délicat. Notamment permet de
garder stéréochimie. Exemples : ICO p. 520 : synthèse d’un allyllithium à partir de
organoétain exemple avec rétention de configuration
Mais possibilité aussi de faire l'inverse. Exemple : ICO p. 518 synthèses d’un zincique à
partir d’un lithien (échange halogène/métal puis transmétallation)
Clayden p. 217 : formation d’un dialklylzinc, utilisé dans la conservation des livres
anciens.
Transition : Comment on les utilise en synthèse ?
III. Réactivité des organométalliques
(20')
1) Basicité
* Avec l’eau Mg/ Li : bilan => montage particulier présenté avant, instable , on cherche
souvent à le mettre en défaut pour éviter réaction violente pendant l’hydrolyse du brut
réactionnel HP
* Synthèse des amidures.
Synthèse de la LDA ICO p. 476. Base forte encombré très utilisée en chimie organique.
Exemple : E2 chimiosélective en partant d’un époxyde Brückner p. 131
Base non nucléophile, donc n’attaque pas l’époxyde, font juste l’E2.
* Dosage
ICO p. 509 : Dosage du methyllithium par l’acide diphénylacétique (3,20) dont le
dianion conjugué est jaune canari. Importance pour savoir, après formation, quelle
quantité exacte d’un produit dangereux il convient d’ajouter.
(OU Fuxa p. 49 : dosage d’un organomagnésien formé in situ par l’alcool benzylique
avec comme indicateur coloré la 2,2’-bisquinoléine qui se complexe au Grignard. Les
azotes plus nucléophiles que les oxygènes du solvant complexent le métal HP PCSI II
p. 315
Transition : Pourquoi le doser ? parce qu’ensuite on le met à réagi et parfois avec des
réactifs dangereux donc il faut être sûr de l'avoir mis en excès…
2) Substitution nucléophile
On avait déjà vu sur les organomagnésiens… Qu’en est-il des « nouveaux »
organométalliques ?
Sur les époxydes. ICO p541 : organolithien, Et2Al-R, allyle baryum. Bilan (et
mécanisme sur transparent car déjà vu )
3) Addition nucléophile
a) sur les aldéhydes et les cétones
L’addition nucléophile des organométalliques sur les aldéhydes et les cétones est l’une
des plus importantes méthodes de création de liaisons C-C.
* Bilan général ICO p. 597
* Mécanisme (sur transparent car sensé avoir déjà été vu avec les organomagnésiens)
* Exemple concret Clayden p. 214 : Synthèse de l’éthynyloestradiol (composant antiovulation de nombreuses pilules contraceptives)
* Réactions secondaires : réduction et énolisation Brückner p. 293
* Remarque Carey T2 p.390
Les organozinciques ont une bien plus haute compatibilité avec les groupes fonctionnels
que OLi ou OMg, aussi bien dans les réactifs que dans les substrats.
* Cas des aldéhydes et cétones alpha-bêta insaturés Clayden p. 235
Exemple comparant Li et Mg : Brückner p. 294. Mise en évidence d’un autre site
d’attaque possible. Avec organozincique : 1,4.
Mécanisme dans le cas 1,4. Comment expliquer ça ? Régiosélectivité ?
La réaction tient en compte deux facteurs : charge et orbitalaire, un prédomine souvent
sur l’autre suivant les réactifs. Contrôle de charge si réactif dur (attaque en 1,2 car charge
la plus importante) ; contrôle orbitalaire si réactif mou (attaque en 1,4 car coefficient le
plus élevé). Calcul Hulis à montrer
b) sur les acides carboxyliques et dérivés
* Bilan général ICO p. 711
* Mécanisme sur transparent et détailler celui du nitrile Vollhardt p. 892
Avec Li et Mg, adduit tétraèdrique instable expulse rapidement un alkoxyde, plus
réactive que le substrat de départ, on finit avec deux additions. Pour éviter double
addition, on peut partir d’un nitrile
* Exemples : ICO p. 712 (ester) Vollhardt p. 892 (nitrile)
Problème dans le cas où on veut énolate d’un ester qui s’ajoute sur al/one : énolates de
lithium ou Grignard très réactif et donc addition sur le groupe ester possible ! Solution :
utiliser un organométallique moins réactif : organozinc.
Transition : Cas d’un acide particulier…
*Organocadmiens : sur chlorule d’acyle => cétone. Carey p.392
c) sur le dioxyde de carbone
* Bilan et mécanisme Clayden p.219
* Exemple concret : synthèse de la méthicilline, antibiotique important car il agit même
contre les bactéries qui ont développé une résistance à la pénicilline.
4) Défonctionnalisation radicalaire
(si le temps)
Réduction des halogéno-alcanes par Bu3SnH
Exemple Clayden p.1041 Justification du fait que la réaction soit
thermodynamiquement favorisée et de l'utilisation de AIBN et pas de péroxyde : préciser
énergies de liaisons pour justifier celles qu'on casse et forme.
Mécanisme au tableau.
Conclusion
On a vu un grand nombre de réactivités des organométalliques des colonnes 1,2 et 12.
Mais on a aussi vu limites. Ouvertures sur les organocuprates qui sont issus d’un métal
de transition mais Cu(+I) a la même configuration que Zn(+II) et donc une réactivité
comparable. Element de transition offre encore une plus large gamme de réactivité.
Les organométalliques de transition jouent un rôle primordiale en chimie organique
moderne à travers la catalyse par les métaux de transition dont les couplages au Pd (PN
2010).
molécules de solvant plus ou moins liées.
LO 20 : Influence du solvant sur la réactivité
en chimie organique
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
Cinétique chimique et loi d’Arrhenius, Forces intermoléculaires, Profil
réactionnel. Contrôle cinétique et contrôle thermodynamique, Contrôle
orbitalaire/contrôle de charge, Réactions classiques de chimie
organique de L1/L2
ICO, Loupy, Reichardt, T&D PCSI, Paul Arnaud, Brénon-Audat.
Introduction :
Le solvant en chimie organique apparaît comme un élément primordial des conditions
opératoires d’une réaction chimique. Mais qu'est-ce qu'un solvant plus précisément. Pour
cela il faut savoir ce qu'est une solution. Par définition IUPAC, une solution est une
phase liquide ou solide contenant plus d'un composé. Un au moins de ces composés,
appelé solvant est traité différemment des autres qui sont des solutés.Brénon-Audat. Le
solvant est en général majoritaire en solution. (voir def d’un solvant ICO p159).
Sur transparent : quels sont les rôles majeurs d'un solvant? Rôle initial : dissolution (ou
dilution) des réactifs, mais peu aussi être nucléophile (ex: bromation des oléfines dans
méthanol), catalyseur (ex : dans les solvants hydroxylés), agent solvatant (ex :
interactions électrostatique entre solvant et les espèces chargées) Loupy p.1
Historiquement : principal solvant = eau. Peu de solvants orga connus (éthanol,
éthoxyéthane). Ces derniers se développent avec la naissance de la chimie organique.
Effets de solvants détectés très tôt dès le XVème siècle, mais personne depuis n’a trouvé
LE «solvant parfait » longtemps cherché. Effets quantifiés plus tard : thermo, cinétique
Reichardt p9
Comment expliquer l’influence du solvant sur la cinétique d’une réaction, donc sur la
réactivité?
I. Introduction aux effets de solvants
1) Dissolution et interaction soluté-solvant
(Rappels : aller vite)
Définition : il s'agit d'une mise en solution, mélange entre deux phases dans une
nouvelle phase homogène IUPAC Goldbook
* Composés moléculaires : Dissolution = solvatation
* Composés ioniques : Dissolution = ionisation + dissociation + solvatation.
●
Solvatation = Interaction énergétique et spatiale entre les particules dissoutes et le
solvant, qui conduit chaque molécule ou ion dissous à s’entourer d’une enveloppe de
Transition : Comment caractériser les interactions locales rendant compte de la
solvatation ?
● Interaction soluté-solvant
La dissolution d’une molécule ou d’un ion dans un solvant est synonyme d’une
perturbation de la structure interne du solvant. Il faut donc que les interactions solutésolvant compensent les interactions solvant-solvant et soluté-soluté.
* Interactions non spécifiques
- Van der Waals : odg 1-10kJ.mol-1
'- Ion-dipôle (complexe dans l’eau))
* Interactions spécifiques
- Liaison hydrogène : odg plusieurs dizaine de kJ.mol-1 (ex : alcool dans eau) schéma
des liaisons H.
- Transfert de charges (ex : complexe TD p.656)
(- Liaison hydrophobes (protéines + eau))
Exemple à chaque fois. T : ODG Arnaud p.170 énergétique, comparaison à une énergie
de liaison.
Transition : La structure du solvant est donc primordiale dans les processus de
solvatation et de stabilisation des solutés. Quantification de ces effets ?
2) Classification des solvants
Les solvants utilisés pour les composés organiques et minéraux ne peuvent guère se
classer selon un schéma simple, du fait de la variété de leurs propriétés physiques et
chimiques. Reichard p.35
Cependant on peut retenir la classification de Parker => classification selon les
interactions avec le soluté.
Classification de Parker : Loupy p.9, Reichard p.42
– solvants dipolaires aprotiques => exemples et valeurs de εr et μ pour chacun.
– solvants protiques
– solvants apolaires aprotiques
Caractère dipolaire et la faculté de former une liaison H mis en relief.
Dans un groupe comment peut-on comparer les propriétés des uns et des autres ?
Moment dipolaire et permittivité diélectrique => polarité globale : capacité à ioniser,
dissocier des paires d’ions, solvater des composés polaires ou ioniques. Cas particulier
de solvants donneurs de LH : protiques. Exemples.
Les solvants classés, on peut encore classer ces solvants selon différentes échelles.
De très nombreuses échelles de solvant existent, essentiellement basées sur des données
spectroscopiques ou thermodynamiques. Paramètres empiriques.
Echelle de solvant : bcp d'exemple une fois de plus, on s'intéresse à l'une d'entre elles.
Spectroscopie UV (échelle ET: énergie de transition) Loupy p.14
- Mauvaise corrélation entre εr et E TN, exemple de solvants plus ou moins protiques
(tableau ICO p168) Plus ETN est élevé, plus le solvant est polaire.
Transtion : l’échelle à considérer dépend beaucoup du type de solutés donc de réactions
considérées…
II. Influence sur la cinétique d'une réaction
1) Position du problème
Par des interactions spécifiques, le solvant peut stabiliser EI et ET différemment. Profil
réactionnel. Il y a alors modification de l’énergie d’activation du processus et, par suite,
de la constante de vitesse k de la réaction. Loupy p.116 , Reichard p. 61
Pour pouvoir étudier l'effet du solvant, il faut donc avoir une idée de l’ET et donc du
mécanisme.
4 grandes classes de mécanisme : Loupy p. 118
- Dispersion de charges. Exemples : SN ou E. Faire schémas
- Apparition de charges. Exemples : ionisation, SN, E, fragmentation
- ET non chargé. Exemples : Diels-Alder, Transpo de Claisen
- Réactions radicalaire Exemples : Rupture homolytique
Transition : On voit que dans ces mécanismes des charges apparaissent disparaissent…
Ca peut être un critère pour évaluer l’effet du solvant !
2) Modèle de Hugues-Ingold
Le mécanisme de la réaction renseigne sur le choix du solvant le plus favorable en
fonction de sa polarité. Reichard p.66
Théorie qualitative prenant en considération les seules interactions électrostatiques entre
les ions et les molécules de solvant dans EI et ET. Elle considère l’effet de la polarité du
solvant qui, lorsqu’elle augmente, induit une solvatation accrue des espèces les plus
chargées.
- S’il y a apparition de charges dans ET, la vitesse augmente quand la polarité du solvant
augmente.
- S’il y a dispersion ou diminution de charges dans ET, la vitesse diminue quand la
polarité du solvant augmente.
- Si le mécanisme est non ionique, les effets de solvant sont faibles.
Exemples : on reprend les exemples des mécanismes et on rajoute l’amplitude des effets
de solvant.
Mettre en lien avec les ETN.
Discuter de l'impact du solvant sur les paramètres d’activation en fonction du
mécanisme de la réaction
Elles ne prennent cependant en considération que les interactions électrostatiques.
Plusieurs limitations à ces règles peuvent être évoquées : Loupy p.124
- Les réactions sont supposées être sous contrôle enthalpique et ne tiennent pas compte
des entropies d’activation. Or elles sont le reflet de l’organisation des systèmes
réactionnels et sont profondément modifiées par l’intervention des molécules de
solvant !
- Les solvants considérés sont souvent de structures très voisines.
- La solvatation spécifique n’est pas explicitement considérée. Une polarité peut
augmenter en mettant en jeu le caractère accepteur ou donneur du solvant (solvants
protiques ou aprotiques).
Cette approche (néanmoins utile) est à raffiner, notamment au niveau des effets de
solvatation spécifique, car la notion de polarité est trop globale et couvre en pratique
tous les phénomènes de solvatation.
Transition : Voyons ça sur quelques exemples.
3) Effet des interactions spécifiques
Dans certains cas, ces interactions sont responsables de la majeure partie de la
stabilisation de l’EI ou et d’ET.
- Liaisons H : solvolyse d’un tosylate benzylique Reichardt p89 Les solvants polaires
mais aprotiques ne favorisent pas cette réaction
Autre exemple : assistance électrophile sur solvant dans réduction par les hydrures.
Loupy p.172
- Liaisons datives : SN2 de l’azoture de sodium sur le bromobutane. Effet de la
solvatation du cation sur la cinétique ICO p162
Transition : jeu sur la vitesse des réaction et comment utiliser ces effets afin de guider la
sélectivité de réactions compétitives?
III. Influence sur la sélectivité
(20')
1) Compétition SN2/E2
Exemple du bromure d’isopropyle + OH-. Loupy p.162
* Représentation des deux ET
* Influence du solvant :
- Polarité du solvant
La charge est plus délocalisée dans l’ET de la E2 que dans celui de la SN2. D’après les
règles de Hugues Ingold, cette dispersion de charge accrue résulte en une diminution de
la vitesse de réaction lorsque la polarité du solvant augmente. En effet, dans le cas d’un
solvant polaire, un processus de type SN2 est moins ralentie qu’une élimination de type
E2. Exemple : mélange eau-éthanol
(
- Groupes partants
Dans le cas de mauvais groupes partants, nécessitant une assistance électrophile et donc
correspondant à un nucléofuge dur, les effets de solvatation de l’état de transition par le site
Xpeuvent se manifester. Dans l’ET de la SN2, la charge est plus concentrée et donc plus
solvatable. SN2 relativement favorisée. Exemple : I, Br, Cl
Dans le cas de bons groupes partants, le nucléofuge est un site anionique mou donc peu sensible à
la solvatation. Le processus de E2 sera donc relativement favorisé avec un bon groupe partant.
Exemple : Br, Ots
)
Transition : On a vu compétition entre deux réactions de nature différentes, on peut
également avoir compétition entre deux nucléophiles pour une substitution nucléophile.
2) Compétition C-/O-alkylation
* Prévision théorique Loupy p.143
Enolates ont deux sites nucléophiles. On peut prévoir que sous contrôle de charges, Oalkylation majoritaire car O très électronégatif, charge plus importante. Sous contrôle
orbitalaire, Calkylation majoritaire car coefficient plus grand sur le carbone dans la HO.
Calculs Hulis à montrer pour prouver nos dires.
Montrer les produits correspondants à C et O alkylation de la réaction avec Et2SO4.
Loupy p.146
* Effets de solvant Loupy
- solvant aprotique polaire, l’énolate est « nu », la réaction est sous contrôle de charge et
la proportion de O-alkylation est maximale. Exemple : HMPT, NMP, DMSO
- solvant protiques, l’oxygène est solvaté par liaison H, ce qui a pour conséquence de
diminuer la densité de charge négative sur l’énolate. La contribution orbitalaire frontalier
à la réaction apparaît et la propotion de C-alkylation augmente. E. Exemple : EtOH,
tBuOH
- solvant aprotique peu polaire, les ions s’associent énergétiquement, la charge négative
sur l’O est neutralisée par association avec cation. Contrôle frontalier prépondérant. Calkylation augmente. D’autant plus vrai que l’énergie d’association augmente. Exemple :
Et2O, Dioxane
3) Stéréosélectivité de l'addition électrophile de Br2 sur un alcène
(si le temps)
Présentation des deux classes de ET possibles (bromonium, carbocation), dispersion de
charge, Hugues-Ingold, confrontation aux données expérimentales selon la polarité
globale du solvant. Reichard p.76
Conclusion :
Bilan , les solvants participent à la réactivité. Les outils développés ici forment un corpus
de règles facilement exploitables par l’organicien.
Dans l’autre sens : effets de solvants utiles pour dégager des éléments mécanistiques.
Autres effets de solvants spécifiques non traités : interaction hydrophobe Reichardt,
Loupy, rôle dans la structure des protéines, et surtout la très grande vitesse des réactions
enzymatiques (effet de poche, joue sur l'activité).
Aspects négatifs des solvants : toxicité, prix, recyclabilité ou élimination (aspect écolo)
=> chimie verte, réactions sans solvant.
Permet aussi de faire purification comme extraction, recristallisation
LO 21 : Les diols, polyols et sucres
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L3
alcools, dérivés carbonylés, alcènes, époxydes, oxydation/réduction,
groupements protecteurs, acétalisation, contrôle, sélectivités (régio
stéréo….), conformation, théorie des OM,
ICO, Carey T2, OCP 6, OCP 99, Weissermel, T&D PC, Clayden, NTA
blanc, Perrin 1&2,
Introduction :
Nous avons étudié les doubles liaisons C=C au sein d’alcènes puis de molécules plus
complexes comme les diènes et les polymères. L’augmentation du nombre de fonctions
alcènes conférait des propriétés chimiques spécifiques et un interêt certain en synthèse.
Nous allons retrouver cet intérêt avec l'augmentation du nombre de fonctions alcools.
Beaucoup de composés chimiques contiennent plusieurs fonctions alcools. Exemples.
Nous allons aujourd’hui nous intéresser à ces composés appelés de façon générale
polyols et en particulier à une famille possédant plusieurs fonctions hydroxyles très
intéressante en chimie, celles les sucres.
I. Les diols et polyols
(20')
1) Présentation et propriétés
*Définition diols : composés dans lesquels deux groupements hydroxyles sont liés
chacun à un carbone tétragonal dont les autres substituants sont des carbones, des
hydrogènes ou des siliciums (=composés avec deux fonctions alcools). Distinctinction
diols α, β, γ (géminés, vicinaux) + exemples ICO p377
Remarque : diols géminés => acétone par déshydratation.
*Définition polyols : composés dans lesquels deux ou plusieurs hydroxyles non génimés
constituent la fonction principale. Exemples.
Nomenclature (vite fait) des exemples précédents + noms triviaux pour glycérol, etc...?
ICO
Propriétés :
* Identiques aux alcools en ce qui concerne propriétés spectroscopiques, acides/bases,
rédox.
* Température d'ébullition, viscosité comparées aux alcools simples et acides carbo. =>
pas de dimères mais on augmente les interactions avec liaisons H. ICO p.378
* Toxicité
2) Synthèses
On en a déjà vu :-)
* En labo : Rappels sur des exemples sur transparents :
- antihydroxylation : à partir des alcènes, époxydation et ouverture des époxydes.
Exemple : Carey p.636
- synhydroxylation : sur les alcènes, utilisation de KMnO4 en conditions basiques, sous
forme diluée, à basse température ou de OsO4 en quantité cata grâce à utilisation d'un
co-oxydant. Mécanisme sur transparent éventuellement. Exemple OCP 6 p.21
Discussion => réaction diasétérospécifique.
Avec ces deux réactions, on peut obtenir tous les diastéréoisomères selon les conditions
et les réactifs utilisés.
Avec un alcool déjà présent sur la molécule => formation d'un polyol.
- Réductions possibles => obtention de diols 1,3 ou 1,2 selon le réducteur (DIBAL ou
Red-Al) Brückner p.515
* En industrie
- formation de l'éthylène glycol => exemple Perrin p.492 + Weissermel (oxydes
supérieurs d'éthylène)
- formation de polyol par saponifaction d'esters naturels (triglycérides : graisse) =>
exemple synthèse du glycérol Perrin p.679
Transition : une fois qu'on a crée des diols, on va vouloir les garder donc il faut les
protéger
4) Réactivité
a) acétalisation avec un carbonyle
On avait vu acétalisation des carbonyles. Bilan sur transparent, hémiacétaliation,
acétalisation avec un ou deux équivalents d'alcools TD p.456, mais avec diols mieux =>
formation d'acétals cycliques favorisés entropiquement. Clayden p.346
Mécanisme au tableau. Clayden + exemple. Clayden ou ICO p.560
Application à la protection de fonction, exemple Clayden p.632
Exemple où après protection, il reste deux diols au centre => coupure oxydante. ICO
p.415
b) coupure oxydante
Action du périodate de sodium. Spécifique des diols syn. Bilan, mécanisme pas bien
connu mais passage par un intermédiaire cyclique. OCP 6 p.39 + ICO p.212 Exemple
ICO
Et après déprotection... fonctions aldéhydes et polyols => on a un sucre...
Transition : et si le composé comportait aussi une fonction aldéhyde ou cétone =>
formation d'un cycle possible... intéressant, non? C'est ce qu'on retrouve chez les sucres!
II. Les sucres
(30')
1) Présentation
Définition : Oses : structures polyfonctionnelles comprtant des fonctions aldéhydes (ou
cétones) et des groupements hydroxyles.
Composition : Cn(H2O)n => hydrates de carbone, structure générale + qq exemples
produits naturels et de nomenclature OCP 99 p.5
Conventionnellement en représentation de Fischer, D, L. Sucres naturels : D.
Explication, en haut le carbone le plus oxydé, chaîne carbonnée vers l'arrière, passage en
écriture de Cram. OCP 99 + Vollhart p.1061 Exemple sur l'érythrose avec modèle
moléculaire avec squelette carboné vers l'arrière.
Attention à ne pas confondre avec lévogyre et dextrogyre !
Transition : Bilan : on a présenté les sucres avec fonctions aldéhydes ou cétones et
alcool, on en parlait tout à l'heure, possible de faire une hémiacétalisation!
2) Structure cyclique des sucres
* Hémiacétalisation spontanée.
Mécanisme, repliement de la chaîne, pivotement du C5 et hémiacétalisation. Vollhardt
p.1062 + OCP 99 p.10
Nouvelle nomenclature : pyranose, furanose. Thermo : cycle à 6, cinétique, cycle à 5.
Cycle à 3 et à 4 ne se font pas car trop tendu.
Projection de Haworth à présenter en parallèle à la représentation chaise habituelle,
oxygène dans le cycle en haut et carbone anomérique à droite. Série D : CH2OH au
dessus du plan. Vollhardt
* Carbone anomère
Présentation α, β en représentation de Haworth. Equilibre entre le deux formes :
mutarotation Vollhardt p.1065 => Evolution du pouvoir rotatoire d'une solution d'ose
fraichement préparée. Mécanisme sur transparent. (en contrôle thermo cycle à 5 moins
stable)
Effet anomère, moment dipolaire, discussion portion α, β en solvant apolaire (α),
polaire(β), comportement orbitalaire. NTA blanc p.226 + OCP 99 p.14
Transition : cette position anomère confère une réactivité particulière aux sucres.
3) Réactivité
a) Réactivité commune aux polyols
* Coupure oxydante => application à la détermination de structure Vollhardt p.1069
* Acétalisation
=> présence de nombreux groupements polyols => problème de régiosélectivité =>
nécessité de protéger => on a avait vu acétalisation comme protéger des C=O mais
protège aussi les diols => stratégie de synthèse
Exemple Clayden p.1362 : dans ce cas, Position anomère protégée, utilisation du
benzaldéhyde, mieux que acétone car Me axial. + voir JD
Avec acétone on va protéger sûrement d'autres fonctions, dans le cas du α-D-glucose
parler de contrôle : Clayden p.1362
Si le temps en préparation : faire modèle moléculaire pour montrer forme la plus stable
avec acétone.
Une fois qu'on a protégé, on peut agir sur l'alcool restant. Accès à des sucres diversement
substituer.
Transistion : cette réactivité peut se retrouver pour la liaison anomère
b) Réactivité spécifique de la position anomère
Protection de tout le sucre avec Ac2O, on a former le bon groupement partant =>
substitution nucléophile. Vollhardt p.1071 Par ce qu'on veut mais en particulier
=> formation de la liaison glycosidique : glycosylation : condensation d'un gluside et
d'un alcool (action d'un nucléophile oxygéné sur la position anomère) ou condensation
entre deux glucides.
Glycosylation de Fischer OCP p13 Bilan, mécanisme, exemples.
Régiosélectivité, stéréosélectivité, formation d'un bon groupement partant.
Formation de la liaison, assistance anchimérique. => orientation de la liaison.
Application à la formation de polysaccharides.
Conclusion :
Bilan, sucres très importants + propriétés exploitées, emploi de glucose marqué 18F
comme traceur radioactif dans l'imagerie du cerveau. Vollhardt p.1073
LO 22 : Les hétérocycles aromatiques
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L3
Dérivés aromatiques et réactivité, Hückel, RMN
OCP 2, Clayden, Lalande, ICO, NTA vert, Carey T1, Fuxa, Vollhardt,
Millcent
Introduction :
Nous avons étudié le benzène, les aromatiques et leurs réactivités particulières mais
comme dérivés du benzène, nous nous étions arrêtés à l'introduction de substituants sur
le cycle aromatiques, mnt que se passe-t-il si on introduit un ou plusieurs hétéroatomes
dans le cycle aromatiques? C'est ce qu'on va étudier avec les hétérocycles aromatiques.
Ces composés sont très importants, en effet on en trouve de nombreux dans la nature, par
exemple dans les acides nucléiques (bases azotées) et ils sont très importants pour l'être
humain, dans les médicaments par exemple dans des antibiotiques ou des médicaments
contre les ulcères. (exemples sur transparents) OCP p.1 + Clayden p.1147
Mais qu'est-ce qui fait leur particularité?
Multitudes d'hétérocycles aromatiques existant, on va se restreindre à l'étude des
composés possédant un seul hétéroatome dans le cycle.
I. Présentation des hétérocycles aromatiques
1) Structure et hétéroaromaticité
-Ex cycle à 5 : retour sur OF du pyrrole=> HO + haute => S E + faciles. DNL engagé
dans le cycle.
On peut voir aussi les formes mésomères : écriture des formes mésomères du thoiphène.
Doublet participe à la conjugaison =>enrichi en électron
=> diminution basicité car casse aromaticité Clayden
- Ex cycle à 6 : retour sur orbitale frontières de la pyridine T NTA p.225 (OF sur Hulis
possible)=> BV + basse => plus apte à SN.
On peut aussi le voir avec formes mésomères, écriture des formes mésomères, on
retrouve stabilisation + appauvrissement en électrons. DNL perpendiculaire au plan =>
basicité (donner pKA : JD p.148) et nucléophilie => difficulté de S E car on utilise des
catalyseurs de Lewis. Clayden
b) Etude selon l'hétéroatome
Exemple sur les cycles à 5 : thiophène, furane et pyrrole : Carey p.560, Clayden p.1159,
OCP réactivité pyrrole > furane > thiophène pour SE.
N>O à cause électronégativité. Et O>S à cause d’un moins bon recouvrement avec la 3p
du soufre.
=> Classement en en π-déficitaires et π-excédentaires (en s’appuyant sur les formes
mésomères) T Carey p.560
Transition : Tableau bilan des propriétés, mais comment on peut obtenir ces hétérocycles
aromatiques?
II. Synthèses
Rappel : définition aromaticité + par RMN ICO p.295
Définition hétérocycle, hétérocycle aromatique. OCP p.1 Typiquement hétéroatomes : S,
N, O.
Vérification des critères d'aromaticité. Comparaison pyridine et pyrrole. Calcul des
énergies de résonnance. Comparaison avec le benzène -> stabilité particulière Lalande
p.212 et 231 (exo 5.8) + Clayden p.1148, doublet de l'azote engagé ou non dans le
système π.
Il existe beaucoup de synthèses, on va s'intéresser seulement à quelques unes.
Autres exemples d'hétérocycles aromatiques simples déjà rencontrés : pyridine, pyrrole,
imidazole, furane. OCP p.3 + rapidement explication de la nomenclature. Millcent p.11
Si le temps : - Synthèse d'indoles de Fischer. Bilan au tableau. Mécanisme sur
transparent Clayen p.1204 Exemple ICO p.578
Application et intérêt des indoles. OCP p.54 + Clayden p.1169 : fait partie des protéines
sous formes de tryptophane, médicaments.
Transition : L'introduction d'hétéroatomes dans le cycle apporte donc un changement à la
stabilité des aromatiques, qu'en est-il de leur réactivité?
2) Propriétés et réactivité
Propriétés différentes selon la taille du cycle ou l'hétéroatome engagé.
a) Etude selon la taille du cycle
1) Synthèse d'hétérocycles π-exédentaires
- Synthèse du pyrrole (Paal-Knorr) : condensation. Bilan. Mécanisme. OCP p.12
Exemple ICO p.576 (aldéhydes et cétones)
Même principe pour thiophène. Bilan. Et pour furane, simple déshydration. Bilan. Voir
tableau du Clayden à la fin du chapitre
2) Synthèses d'hétérocycles π-déficitaires
- synthèse des pyridines de Hantzsch (à partir de la dicétone + NH3) sur transparents
Clayden p.1191 même principe que précédemment pour le pyrrole, mais on n'obtient
pas un aromatique => nécessité d'oxyder. Intérêt des pyridines de Hantzsch.
Possibilité d'obtenir directement la pyridine aromatique avec NH2-OH T Clayden
p.1193
Transition : Bilan : Clayden p.1214 En eux-même, ils sont très intéressants et
importants, mais leur réactivité est intéressante également.
III. Réactions de substitution aromatiques
1) Substitution électrophile aromatique
a) Sur des hétéoaromatiques π-exédentaires
Thiophène, pyrrole et furane :
OCP p.15 : bromation, sulfonation, nitration… : comme pour le benzène. Exemples.
Thiophène : alkylation et acylation de Friedel et Crafts. On va surtout s’intéresser à la
différence de réactivité de quelques composés.
* Vitesse : Pyrrole, ça marche trop bien! Pas besoin d'activer. Mais thiophène et furanne,
normal. Comparaison réactivité entre pyrrole, furane, thiophène (cf I-2) Ex sur la
bromation de l’OCP avec les k relatif p.15.
* Régiosélectivité : étude de la réaction de Vielsmeyer-Haak .
Bilan. Donner le mécanisme pour thiophène au tableau.
Régiosélectivité : Discussion sur la formes mésomères sur T. Réaction sous contrôle
cinétique, ECD, ET tardif, postulat de Hammond. => attaque en C2. OCP p.14 +
Clayden p.1157-1159
Régiosélectivité différentes sur indoles
T Bilan de l’ICO p.319 (arènes) et explication de la régiosélectivité.(ne pas détailler les
formes mésomères mais expliquer rapidement pourquoi). OCP p.57
Si le temps : Application : synthèse de la porphyrine. Intérêt et mécanisme sur
transparent? Fuxa p.184
b) Sur des hétéroaromatiques π-déficitaires
Difficile. Exemple pyridine inapte à la SEAr. Explication. Clayden p.1150. Nécessite
des conditions drastiques. Exemples Vollhardt p.1121 (les réactions de la pyridine). Ou
nécessité d'activation par des groupements donneurs. Exemple pour la pyridine :
activation en N-oxyde par la mCPBA ou H2O2. Mécanisme. Clayden p.1153
Transition : Vis-à-vis des substitutions nucléophiles aromatiques, les composants πdéficitaires et π-exédentaires ont le comportement opposé.
2) Substitution nucléophile aromatique
a) Sur des hétéroaromatiques π-exédentaires
Rare. Nécessite un groupement activant. Exemple : synthèse du ketorolac, un
analgésique. Clayden p.1162 Mécanisme
b) Sur des hétéroarmatiques π-déficitaires
Ca marche du tonnerre, car noyau aromatique déficient en électron. Exemple avec départ
d'un chlrorue (analogue de Chichibabin^^) Vollhardt p.1121.
Conclusion :
Bilan-tableau de réactivité des π déficitaire, π excédentaire et benzène T&D
+ au choix :
Autre réactivité : comportement de base et de nucléophile, groupement activant. Ex :
DMAP, imidazole. Application à la protection, estérification. Clayden p.1153
Comportement de diène aussi. Exemple : furane avec anhydride acétique : Diels-Alder.
Clayden p. 1163)
Il existe des milliers d’autres hétérocycles ! gde importance ! ex porphyrine et hème :
Clayden p.1178 et Fuxa p.184
LO 23 : Réductions en chimie organique
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L3
réaction d'oxydation, réduction en chimie inorganique, mécanisme
radicalaire en chaîne, dérivés carbonylés et dérivés d'acides, alcènes,
angle de Burgi-Dunitz
ICO, Carey T2, OCP 6, T&D PC, Astruc, Kocienski, Brückner,
Clayden, Kürti
Introduction :
Réaction de réduction, déjà vues en chimie inorganique, abaissement du degré
d'oxydation d'une espèce. Définition réduction ICO Glossaire
Permet de transiter entre focntion chimique. Exemple de la synthèse de la Juvabione
Carey p.705 Calcul de DO et se demander comment on va passer de l'un à l'autre.
Rappel de la notion de classe d’oxydation. Transparent : les classes d’oxydation avec des
exemples. OCP p.2. Réduction : passage d'une classe à l'autre.
Il y a plusieurs enjeux avec les réactions de réduction : réussir à gérer chimio, régio,
stéréo, énantio-sélectivité. Pour cela on a de nombreuses méthodes à disposition.
I. Réduction par hydrogénation catalytique
1) Réduction des liaisons C-C doubles et triples
Equation bilan : alcyne->alcène->alcane. Source de H : H2 Difficile. Nécessité d'un
catalyseur, homogène ou hétérogène. TD p.359
a) catalyse hétérogène
Alcènes : ICO p189 exemples
Mécanisme : Tec&Doc p360+ Bruckner p536 sur transparents
Stéréosélectivité partielle, influence de la pression en H2 : hydrogénation syn exemple
ICO p.189
Alcynes : 2 stades de réduction possibles : ICOp264-269 utilisation du catalyseur de
Lindlar.
b) catalyse homogène
Catalyseur de Wilkinson, exemple ICO p.189
Mécanisme : cycle Astruc p354 + OCP p54
Exemple catalyse asymétrique : L-DOPA Astruc p357 + ICOp.190 intérêt médicament
contre la maladie de Parkinson. Clayden p.1236
2) Réduction des liaisons C-hétéroatomes
X= O,N, halogène
Hydrogénolyse des liaisons benzyliques. Clayden p.622 Application à la déprotection
sélective. Exemples Kocienski p.242
Réduction de Rosenmund Clayden p.623
C-S réduit par Ni Raney ?
Transition : Grande utilité de ces hydrogénations catalytiques mais réduction des dérivés
carbonylés trop difficile dans ces conditions : utilisation d’hydrures.
II. Réduction par transfert d'hydrures
1) des dérivés carbonylés
Rappel : comparaison réactivité NaBH4 et LiAlH4 ICO p581
Mécanismes ICO p.582 un au tableau, l'autre sur transparent. Expliquer le choix d’un
solvant protique ou aprotique
Chimiosélectivité al>one>enone TD
Conditions de Luche Brückner p.273. Exemple, ICO p.586
Stéréosélectivité, angle de Bürgi Dunitz : réduction du camphre modèle moléculaire,
ICO p583
2) des dérivés d'acides
Réduction des amides et ester par NaBH4 pas possible. Exemple OCP p66
Autres méthodes :
* LiAlH4 : réduction des esters en alcool, amide en amine OCP, ICO, Clayden
* DIBAL : réduction en aldéhyde OCP, ICO, Clayden
* BH3 : réduction des acides carboxyliques OCP p72 + exemple, synthèse de
l'oxazolidinone d'Evans Clayden p.1228. Intérêt : auxiliaire de chiralité.
Tableau récapitulatif
III. Réduction par transfert monoélectronique
1) des liaisons C-C doubles et triples
a) cas des aromatiques : réduction de Birch
Bilan, nature des groupements sur le cycle déterminent la régiosélectivité Clayden p628
Mécanisme Clayden + ICO
Exemples ICO p334
b) cas des alcynes
Bilan, exemple ICO p.276, stéréosélectivité par rapport à hydrogénation catalytique.
Clayden p.629
Mécanisme si le temps ICO + Clayden
2) des liaisons C-X
a) réduction de Barton-Mc Combie
Réaction de désoxygénation : exemple : Kurti p47, OCP, Carey
Mécanisme Kurti p46 : formation du xanthate puis mécanisme radicalaire en chaine
b) réduction des C-halogène
Exemple Clayden p1041 + ICO p.374
Mécanisme radicalaire ICO + Clayden
c) réduction de Clemmensen
Exemples et bilan : ICO p611 + Kurti p93
Conditions dures.
Conclusion :
Liste non exhaustive, réaction de Staudinger, Wolff-Kischner.
Synthèse totale bilan de la Juvabione Carey T2 p703
Energies de dissociation des liaisons : C-S, C-O, S-H, O-H. ICO p.384 A comparer, dire
qu'elles sont suffisament forte pour être stable mais aussi relativement faibles et qu’il est
possible d’avoir des ruptures homolytiques et que les composés soufrés interviennent
dans de nombreux processus radicalaires qui ne seront cependant pas aborder dans le
cadre de cette leçon
LO 24 : Les composés organosoufrés
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L3
Nucléophilie / Electrophilie, Acide/base, Oxydo-réduction, Réactivité
des alcools, des dérivés carbonylés (Wittig), SEAr, aa/peptide/protéine
Clayden, OCP 33, ICO, Rabasso, Vollhardt, T&D PC, Brückner
Intro : Clayden intro chap soufre
Définition : organosoufrés (liaison C-S) OCP p.1. Présence de soufre dans de
nombreuses molécules dans la nature (molécules remarquables par l’odeur : truffe +
moufette), dans les molécules du vivant (cystéine + méthionine Clayden p.1355 +
biotine Clayden p.935), importance des ponts disulfures dans la structure des protéines
en médecine (médicament contre la lèpre + antibiotique).
Réactivité des organosoufrés très intéressante en chimie orga, pour bien la comprendre,
commençons par les présenter plus en détails
I. Présentation des composés organosoufrés
(10')
1) Le soufre
Position dans le tableau périodique, colonne 16, famille chalcogène. Situé en dessous de
O : il est pertinent de comparer S et O, numéro atomique, configuration électronique,
Lewis, hypervalence possible (orbitales d proches), mais s'explique aussi par rayon
atomique (comparer S et O). Nombreux DO accessibles. Electronégativité (S, C et O)
liaison S-C très peu polarisée => réactivité du soufre ne pourra pas s'expliquer comme
d'habitude par la polarité de la liaision mais plutôt par taille, prop du soufre. Clayden
p.1249
Transition : nombreux DO accessibles => on les retrouve dans les différents composés
organosoufrés.
2) Les différents composés organosoufrés
Classés par degré d’oxydation : (attention : même si la différence d'électronégativité
entre C et S est tres faible, on attribue quand même les électrons au soufre) : OCP 33 p.2
A faire sur transparent, exemple et recalcul de certains DO en direct sur les exemples.
-II : thiols, thioethers, thioacétals, sulfonium. Exemple : cystéine, méthionine
-I : disulfanes. Exemple : cystine Clayden p.1355
0 : sulfoxydes : inversion au tableau (chiraux ! Einv = 160-170 kJ.mol-1 ICO comparer
à N), sulfoxonium. Exemple : DMSO
+II : sulfone. Exemple : Dapsone présentée en intro.
+IV : acides sulfoniques. Exemple : acides paratoluènesulfonique
3) Propriétés oxydoréductrices
Oxydation des sulfures en sulfoxydes et sulfones par mCPBA/H2O2/KMnO4. Clayden
p. 1265
Formation des sulfoxydes peut être rendu asymmétrique : ex Sharpless Clayden
Oxydation des thiols en disulfures => application bio structure tertaire des protéines (on
peut aussi parler des permanentes des cheveux si on veut : repose sur le même principe :
voir remarque) Clayden p.1355
On peut aussi parler de réduction par PPh3 ou LiAlH4 ou non comme on veut mais de
tout façon se renseigner car attention question!
4) Propriétés acido-basiques
* Du soufre : pKa thiols < pKa alcools (S étant plus gros que O, les doublets du thiolate
se repoussent moins que pour les alcoolates) ICO p.384 + OCP 33
* Du carbone en α du soufre : (transparent) Clayden p.1252
Echelle de pKa : sulfure sulfoxyde sulfone sulfoxonium sulfonium. Clayden
Transition : on vient de voir S moins basique que O mais par contre meilleur nucléophile
(car orbitales plus diffuses) cette réactivité va particulièrement nous intéresser.
II. Réactivité nucléophile du soufre
(15')
1) Formation des thioéthers (sulfures)
Analogue à Williamson mais marche mieux : S meilleur nucléophile que O. Bilan au
tableau, mécanisme sur transparent Clayden p.1249 Exemple ICO p.417 formation de
cycles (analogue aux ether couronne, taille cation de la base qui sert d'effet template)
Transition : Autre moyen de former des cycles avec les soufres :
2) Formation de thiocétals
Exemple de bilan sur transparent. Vollhardt p.739
Même mécanisme que formation acétals classique mais en utilisant acide de Lewis.
Stable en milieu acide de Bronsted =>acétals et thioacétals sont des groupements
protecteurs orthogonaux pour les carbonyles.
Déprotection : Mécanisme avec HgCl2 au tableau. Clayden p.1255
Effet mercaptant de S, permet de piéger tous les métaux lourds
Coupure liaison C-S avec Ni Raney. Exemple Vollhardt p.740
Transition : autre réactivité intéressante : formation de sels
Application à la synthèse d'un β-bloquant Clayden p.1259
3) Formation des sels
(ne pas forcément en parler)
(Transparent) Sels de sulfonium, renversable. Utilisation sel de Merweein pour éviter la
réaction inverse. Clayden p.1258 Sels de sulfoxonium. ICO p.356 Principalement
utilisés pour faire des ylures de soufre.
Transition : Avec formation de sels, on a rendu S électrophile. Quelle est sa réactivité en
tant qu'électrophile?
III. Réactivité électrophile du soufre
(15')
1) Sulfonation aromatique
Mécanisme déjà vu les années précédentes. Bilan au tableau. Réaction renversable :
beaucoup de côtés pratique en synthèse pour jouer sur l’orientation des groupements sur
les composés aromatiques en utilisant l’acide sulfonique comme groupement bloquant.
Clayden p.553 et 571 + TD
Application aux résines échangeuses d'ions Clayden p.1473
2)Formation de bons groupes partants
(Transparent) Passage d’un alcool à un halogénure, en passant par un intermédiaire
organosoufré : SN de l’alcool sur TsCl. Mention de MsCl et TfCF3 (au tableau).
Classement en fonction de la force du groupe partant. ICO p.402
3) Oxydation de Swern
Bilan oxydation géraniol en geranial sur transparent ICO p.412. Mécanisme au tableau.
Rabasso p.70 et 189
Existe réactions analogues : exemple Moffat : idée tjs la même, activée électrophilie du
soufre.
Transition : On vient de voir le mécanisme de Swern, passage où on a déprotonné en α.
Cette réactivité du soufre est également très intéressante.
IV. Influence du soufre sur la réactivité du carbone en α (10')
1) Inversion de polarité (umpolung)
On a vu utilisation du dithiane comme protection, mais ça a aussi un autre intérêt :
inversion de polarité. Donner pKa. Schéma de synthèse sur transparent Clayden p1255
2) Régiosélectivité : ylure de soufre
On utilise des sels pour former les ylures (ces sels peuvent être commerciaux mais avoir
une idée de la façon de les synthétiser)
Synthèse :
- ylure de sulfonium Clayden p.1259
- ylure de sulfoxonium Brückner p.308 + Clayden p.1265
Réactivité comparée avec le phosphore Clayden p.1259
Réactivité comparée sulfonium/sulfoxonium Brückner p.312
3) Stéréoselectivité
(si le temps, ici non^^)
Synthèse de la biotine sur transparent. Explication stéréoselectivité Clayden p1254
Conclusion :
Résumé des différentes réactivités possibles des composés organosoufrés. Insister sur
carbocation stab en α et β et carbanions stab en α. Ouverture sur Barton Mc Combie? Ou
pas... attention mécanisme!
LO 25 : Réactions de formation de cycles en chimie organique
(réations de cycloaddition exclues)
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
T2
L3
contrôle cinétique/thermodynamique, nucléophile/électrophile,
estérification, ylure
Clayden, ICO, OCP 54, Rabasso T1&T2, Lehn, Vollhardt, Kürti, Carey
Introduction :
Il existe de nombreuses molécules cycliques naturelles ou synthétiques : OCP p.1 +
Vollhardt p.131. Cycles très variés => nombreuses stratégies de synthèse. 2 grandes
classes de réactions de cyclisation : intramoléculaire et intermoléculaire
I. Facteurs influençant la cyclisation
1) Aspect thermodynamique
–
–
–
–
Réactions de cyclisation endergoniques (ΔrG°>0) elles sont coûteuses en énergique.
Diagramme macroscopique.
Etude de ΔrH° : Enthalpie de combustion pour différents alcanes, puis pour
différents cycles : -> contraintes dans les cycles. Tableau de valeurs + courbes
Vollhardt p.134 + Clayden p.455. Explication des évolutions avec les tensions de
cycles. Schéma des cycles avec angles + modèles moléculaires. Clayden p.455 +
Vollhardt p.136
Cycles à 6 et macrocycles stables en thermo.
Effet des substituants, en position équatoriale. Exemple : acétalisation Clayden
p.1138. Formation O,O-acétal
2) Aspect cinétique
Nous avons étudié la stabilité des cycles, nous devons maintenant voir à quelle vitesse
vont se produire les réactions. Δ≠G°=Δ≠H°-TΔ≠S°
– Vitesse relative de formation de cycle. Clayden p.1135. Concernant Δ≠H°, on
effectue un raisonnement similaire à celui concernant Δ rH°. Compétition entre Δ≠H°
et Δ≠S°. explication et courbes Lehn p.8 + Clayden p.1136. Cinétique cycle à 5
facile et macrocyle + difficile.
– Effet des substituants. Effet Thorpe Ingold. Exemple Clayden p.1138
– Classification des différents types de cycles Vollhardt p.136
Transition : On va maintenant détailler la formation de cycles en commençant par les
petits cycles.
II. Formation des petits cycles
1) Epoxydation
Exemple : Clayden p.506 avec mCPBA (montrer qu'il est électrophile?)
Réactivité selon les substituants portés par l'alcène. Vitesse relative selon les substituants
portés par l'alcène. Stéréospécificité Clayden p.507
Mécanisme, régiosélectivité selon environnement électronique de l'alcène Clayden +
ICO p.204
2) Formation de cycles à 3 avec les ylures de soufre
Introduction des ylures de soufre en comparaison avec les ylures de phosphore Clayden
p.1259. Exemple : contrairement aux ylures de phosphore qui donnent un alcène à
partir d’un carbonyle, les ylures de soufre donnent des époxydes. Présentation des 2
types d'ylures de soufre Clayden p.1258. Mécanisme, cas particulier des cétones α,βinsaturées+ explications Clayden + Carey p.103 Exemple ICO p.609
L’énone possède deux sites électrophiles soit une addition en 1-2 ou en 1-4. Quelque soit
l’ylure, l’attaque 1-2 est plus rapide mais réversible. Dans le cas des ylure de sulfonium (non
stabilisés), le retour en arrière est difficile ce qui conduit à la formation de l’époxyde. Dans le cas
des ylures de sulfoxonium, le retour en arrière est plus aisé à cause de leur stabilité. Ainsi ces
derniers pourront être expulsés avant la formation de l’époxyde. Ainsi une partie des ylures vont
s’additionner en 1-4, cette réaction n’étant pas réversible, elle conduit irrémédiablement à la
formation d’un cyclopropane.
III. Formation de cycles communs
1) Acétalisation
Pb posé, pb de régiosélectivité, nécessité de protection. Clayden p.632
Mécanisme et avantages Clayden p.346+345
Pb : réaction équilibrée, utilisation du Dean-Stark Rabasso T1 p.229
Exemple de transacétalisation ICO p.431
2) Réaction de Dieckmann
Condensation de Claisen intramoléculaire. Nécessité de hautes dilution. Synthèse de la
corylone Clayden p.727 Mécanisme Clayden (ou Kürti) Exemple synthèse d'un
hétérocyle. Clayden p.727
3) Annélation de Robinson
Intérêt : synthèse des cycles A et B des stéroïdes. Mécanisme Clayden p.761
Exemple ICO p.632
Addition de Mickaël, aldolisation, déshydratation E1cb.
IV. Formation de grands cycles et de macrocycles
Coüt entropique très élevé car nécessité de préorganisation de la molécule. Favorisée à
haute dilution.
1) Macrolactonisation
Lactones : esters cycliques présents dans de nombreuses molécules pharmaceutiques,
naturelles, arômes. Lehn p.117
Exemple synthèse de zéanalénone ICO p.671 effet césium Lehn p.122
2) Effet template
On diminue Δ≠S° en préorganisant substrat autour d'un ion ou d'une molécule. Effet de
support Lehn p.114
Discussion taille du cation. ICO
3) Métahèse (si le temps sinon en conclusion)
Entre autre la RCM (Ring Closing Metathesis) Mécanisme Rabasso T2
Conclusion :
Ouverture sur les cycloadditons ou sur les macrocycles en biologie (porphyrine,
cyclisation du squalène OCP p.52...)
2) Caractéristiques des groupements prtoecteurs
LO 26 : Protection de groupes fonctionnels en chimie
organique; applications
7 caractérisiques dans Kosienski p2 : coût, stabilité, facilité à insérer et à enlever, facile
à caractériser...
Transition : on peut avoir besoin de plusieurs GP en synthèse. Comment déprotéger l’un
sélectivement par rapport à l’autre ?
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L3
chimie des alcools, amines, carbonyles (acétalisation et
thioacétalisation, addition d'organomagnésien), acide carboxyliques et
dérivés.
Kocienski, ICO, OCP 95 « Protecting group », Clayden, Carey T2
Introduction :
*Synthèse totale = synthèse de molécules + ou – complexes à partir de molécules de
tailles + modestes.
Met en jeu des problèmes de réactivité et sélectivité.
* Ex simple : Clayden p.632 (chimiosélectivité) => on veut additionner sélectivement
un OM sur un ester. Mais il y a aussi une cétone (+ réactive) dans la mol. Comment vaton pouvoir faire ?
* Ou encore avec sucre du Clayen p.1370, comment faire réagir sélectivement un des
alcools?
=> Utilisation de GP.
Avant de voir les différentes manières de protéger, intéressons nous un peu plus aux
principes de la protection…
I. Principe de la protection
(10')
1) Définition et nécessité
Groupement protecteur.
Protection : étape de fixation du GP
Déprotection
Cas simple de l’intro => donner les étapes (ne pas donner le mécanisme l’acétalisation
car déjà vu)
Exemple dans une synthèse totale : synthèse du longifolène Carey T2 p.714
=> On voit bien que c’est une nécessité ! Et on a aussi vu comment on pouvait protéger
les composé carbonylés avec l’acétalisation =)
Transition : on a vu qu’on a été obligé de rajouter 2 étapes => moins bien pour le coût,
temps de synthèse, rendement. Il va donc y avoir certaines caractéristiques pour être un
bon GP !
3) Notion d'orthogonalité
Principe d'orthogonalité de deux GP => faire un schéma « virtuel » ac GP1 et GP2.
Kosienski p.3
Ex sur la thioacétalisation et l’acétalisation
-Kociensky p.78 : mol ac acétal et thioacétal => déprotection sélective de l’acétal.
-ICO p.446 (Ether …thioéthers) => déprotection sélective du thioéther avec Hg ! (+ voir
Clayden p.1256 chimie du soufre) Mécanisme au tableau (Kociensky p.6)
=> On vient de voir un autre moyen de protéger les composés carbonylés ! =)
Transition : On a vu la nécessité de la protection. On a vu la protection des carbonyles.
Mais il existe d’autres fonctions à protéger !
II. Protection des dérivés carbonylés et des alcools et phénols :
application à la chimie des sucres
(15’)
1) Protection des dérivés carbonylés
On a vu ça dans le I.
T : construction d'un tableau type celui du Clayden
2) Protection des alcools et des phénols
réactivité à masquer
Kociensky p.188
Caractère oxydable
Nucléophilie de l’O
Acidité (pKa (RO/ROH) = 16-18, 10 pour phénol)
●
Transition : beaucoup de GP disponibles ! On ne va en voir que quelques uns
● groupements protecteurs
Kocienski p180-350
Remarque : tableau récap type Clayden avec les GP rencontrés, compléter une des
colonnes :
GP, structure, protège, contre, protection, déprotection.
a) Ester
Bayle T2 : synthèse de la vaniline ROAc. Pas de mécanisme.
Autre GP (Piv, …) : Kociensky
Mais pas super groupement protecteur : en conditions basiques : saponification, ou
encore face à de bons nucléophiles, pb!
b) acétals
*THP :
Kociensky un des premiers GP des alcools, tjs utilisés..
Avantages : cout, facilité de déprotection, stabilité. Désavantage : complexité des
spectres RMN, introduction d’un centre stéréogène.
Mécanisme protection. (mais pas déprotection car idem) Clayden
Justification de la protection.
Nicolaou I : PROSTAGLANDINE application en synthèse totale. Dire pourquoi on
devait protéger.
*Autre GP :
MOM Carey p.684
* De plus, on avait vu acétalisation permettait de protéger un carbonyle, mais on peut
aussi faire l’inverse i.e. protéger un alcool par acétalisation !
Exemple Clayden p.1370 : sucre bloqué en pyranose par la protection, cela laisse un
alcool libre.
Comment pourrait-t-on protéger ce dernier alcool?
c) Ether
Kociensky Benzyl, Trityl, insister sur déprotection par hydrogénation de Bn.
Mécanisme protection et déprotection de Bn. Début du Kociensky
Suite ex Clayden p.1370 : déprotection acétal, protection de l'alcool primaire, reste
l'alcool qu'on voulait faire réagir.
Transition: on a vu des GP qui se clive soit en milieu acide soit basique => nouvelle
méthode
d) Ether silylé
TMS : ex de protection Kociensky p.194
Mécanisme.
Mécanisme de déprotection avec Fluorures début Kociensky
Autres GP : TBDMS, TBDPS, insister sur encombrement stérique
Exemple Kocienskip.217 (TBDPS), sélectif! On ne touche pas aux autres groupements
protecteurs! =)
Transition : Qu'en est-il des acides carboxyliques et des amines?
III. Protection des acides carboxyliques et des amines :
application à la synthèse peptidique
(15')
1) Réactivités à masquer et problématique
Position du pb sur la synthèse de l’aspartame ICO p.683
2 aa => possibilité de former 4 produits ! Clayden p.651
=> Il faut protéger
Nucléophilie et acidité/basicité des fonctions à masquer. Kociensky
2) GP des acides carboxyliques
Ester (OMe, OBn, OtBu) : pas de mécanisme. Clayden p.652-653 + Kociensky
Retour sur aspartame. ICO
3) GP des amines
Clayden p.653 + Kociensky
Amide possible mais déprotection trop dure
=> carbamates (Boc, Fmoc, Cbz), protection et déprotections orthogonales, mécanisme
sur Boc ou Fmoc.
=>phtalimide permet de bloquer la "2ème" acidité de l'amine Kocienski p489
4) Synthèse de l'aspartame ICO p.682
Commenter étapes de synthèse. Activation de l’acide.
Conclusion :
Bilan. Grande richesse des GP diapo tableau bilan, solution "provisoire" en attendant le
développement de réactions plus sélectives. Insister sur orthogonalité.
Utilisation d’enzymes => conditions + douces, + sélectifs…
Ou : synthèse peptidique sur support solide.
LO 27 : Spectroscopie infrarouge :
principe et application pour la détermination de structures
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
en physique : oscillateur harmonique, système conservation à un degré
de liberté, cas de 2 ressorts
en chimie : spectro UV/visible, notion IR (lycée), calcul du nombre
d'insaturation, modèle quantique de l'atome, quantification de l'énergie
(lycée), effet mésomère/inductif, alcène
Hprépa PC, Atkins, T&D PC, Silverstein, Rouessac, Rabasso T1,
Clayden, Actualité chimique mars 2011 n°350
Rouessac p .204
Idée : pour connaître la structure d’une molécule diatomique inconnue, il serait
intéressant de mesurer expérimentalement la pulsation propre.
Mais comment ? On prend le cas d’une molécule diatomique hétéronucléaire. Il existe un
moment dipolaire. On fait apparaitre les charges partielles car χ différentes. On regarde
l’action d’un champ électrique dans deux directions différentes : les charges se
rapprochent ou se séparent. En prenant un champ oscillant à la bonne fréq on peut
amener l’oscillateur à résonance : or à résonance on est à la pulsation propre ! :-D
T : détermination de la nature du champ électrique (ODG de la longueur d’onde). On
vérifie qu’on est dans l’IR (≈ 8000 nm avec k = 1000 N/m et μ = 12 g/mol => on fait de
la chimie orga, donc on prend la masse du carbone !).
Transition : Tout ça c’est trop cool, mais en orga on s’intéresse rarement à des molécules
diatomiques !
2) Cas des molécules plus complexes
Introduction :
Le chimiste organicien cherche à connaître la structure des molécules qu’il a synthétisé
pour l’aider il dispose de différents outils comme la spectroscopie UV-visible que nous
avons déjà vu et également d'autres spectroscopie comme la spectroscopie infrarouge qui
va nous intéressée pendant cette leçon. Il s'agit aussi une spectroscopie d’absorption
comme la spectroscopie UV-visible mais à une autre échelle d'énergie.
Frise avec échelles d'énergie + diagramme énergétique quantifiée. HP p.469 avec UVvisible, niveau électronique, transitions électroniques, les électrons « bougent ». Permet
de faire des dosages et de remonter à des propriétés électroniques des molécules. Mais
les molécules sont aussi composées de noyaux que l’on peut faire « bouger », ce qui
correspond à la vibration des molécules => spectroscopie vibrationnelle : on va voir
spectroscopie vibrationnelle : comprendre comment ça fonctionne et l’exploiter pour
déterminer la structure des molécules. HP
C’est un outil essentiel pour mettre en évidence la présence ou l’absence de certaines
fonctions.
I. Principe physique de la spectroscopie IR
(20')
1) Cas des molécules diatomiques
T : on pose le problème avec les notations (distance entre les deux atomes, distance
d’équilibre, masse réduite…). Développement de Taylor autour de la position
d’équilibre. On se limite au premier terme non nul (on peut poser E(r0)=0, dE/dr(r-r0) =
0 car position d'équilibre) : Dérivée 2nde positive car équilibre stable. Analogie avec le
ressort. Atkins p.452 Dans le formalisme du mobile fictif, on introduit la pulsation
propre de l’oscillateur harmonique HP p.472 : Celle-ci est spécifique des atomes et aussi
caractéristique de la liaison!! Et ça, c’est vraiment cool !
T : ordre de grandeur des constantes de raideurs des liaisons simples, doubles et triple
Molécule polyatomique = réseau d’oscillateurs harmoniques couplés entre eux. La
description est donc plus compliquée ! En physique, on voit qu’on peut découpler un
problème de deux oscillateurs couplés en introduisant la notion de mode propre. Chaque
mode est alors associé à une fréq caractéristique. Pour les molécules c’est pareil ! HP
p.473
Gabedit : On montre les modes normaux de vibration calculés pour la molécule
d’acétaldéhyde. Il en existe de deux types : MNV d’élongation et MNV de déformation.
On fait remarquer que certains MNV ne font intervenir que deux atomes. La formule de
la pulsation propre marche donc encore assez bien !
OU flexcam : montrer MNV du H2O
Introduction de la loi de Hooke. TD p.250 Nombre d’onde. ODG du nb d’onde. HP
p.474
Attention, pour que l’excitation ait effectivement lieu, il faut une variation de moment
dipolaire (comme on l’a vu dans le cas diatomique).
Retour sur l'exemple de H2O : Modes symétrique et antisymétrique. HP
Rappel, on a vu le modèle classique mais attention, se rappeler de la dimension
quantique
Transition : Maintenant qu'on a compris ça, on va pouvoir voir comment on peut
recueillir ces infornations.
II. Recueillir l'information structurale
(10')
1) Enregistrement d'un spectre
Sur transparent : principe de fonctionnement d’un spectro à transmission et d’un spectro
à réflexion. Rouessac p. 216 Mesure de la transmittance, lien avec absorbance (déjà
connue en UV-vis). HP p.470 On peut faire des dosages avec des spectro à transmission,
mais pas avec des spectro à réflexion. Quand il y a résonance, de l’énergie est absorbée,
la transmittance chute drastiquement.
Blanc : spectre de l'air.
Exemple : Allure d’un spectre. HP
Remarque : on observe bande et pas raie car, transitions entre niveaux vibrationnels
s'accompagnent aussi de transition entre niveaux rotationnels. HP
2) Bandes caractéristiques
Flexcam : Spectres de MeOH et EtOH Silverstein p.151
On fait remarquer la forte similitude du spectre et des structures. Reste à établir le lien !
T : 4 grandes régions du spectre Clayden p.67 + Rabasso p.550. Interprétation avec la
loi de Hooke. Zone des empruntes digitales.
T : tables des bandes caractéristiques. Vous en avez déjà vu : Commentaires sur
évolution de certains nombres d'onde :
– O-H libre VS liée HP PC/PC* p 503
– Amine primaire : mode symétrique et antisymétrique Rabasso p.561
– Commentaire sur évolution de la bande de vibration d'élongation de la C=O pour
dérivés carbonylés, acides carboxyliques et dérivés d'acide. HP p.474 + Rabasso
– triple liaisons CC vs triple liaison CN : forte variation du moment dipolaire
Montrer des spectres illustratifs
Transition : maintenant qu'on a obtenu ces spectres, on va les exploiter!
III. Exploitation et interprétation des spectres
(20')
1) Spectre d'une molécule inconnue
* Flexcam : exemple HP ex6 p504
Calcul du nombre d’insaturation. Commentaire sur la OH très basse (elle se superpose
aux CH) : les dimères d’acide carbo font les liaisons hydrogènes très efficaces !
Affaiblissement de la liaison + loi de Hooke.
* Flexcam : exemple Clayden p73 Malgré le spectre, on ne peut pas déterminer
complètement la structre !
NB : on peut aller plus loin que le Clayden, en interprétant les bandes à 1400 cm-1 : gem
diméthyl (cf. Rabasso)
Transition : ne permet pas de déteminer toute la structure mais essentiel pour mettre en
évidence la présence ou l’absence de certaines fonctions, très utiles quand on a une idée
de la structure et qu'on veut vérifier si on a le bon produit.
2) Suivi de réaction
IR permet de déteminer la structure du produit de notre réaction. Vérification réaction
totale ou pas.
* Flexcam : oxydation de l’isobornéol en camphre par oxone Grüber p415
disparition O-H, apparition C=O : la réaction a bien marché !
Flexcam : hydrogénation catalytique, disparition de la triple liaison CC, apparition
de la double + alcène Z et pas E. Actualité chimique mars 2011 p.44
Transition : permet de vérifier produit mais permet aussi de vérifier la pureté d'un réactif
avant de l'utiliser pour une réaction
•
3) Contrôle de qualité d'un composé
Un anhydride peut s'hydrolyser avec l'humidité de l'air. Ca peut poser problème si on a
besoin de structure de l'anhydride pour notre réaction.
Flexcam : spectre d’un anhydride Rabasso T1 p.562. On voit qu’il n’est pas hydrolysé !
On en profite pour commenter la structure dédoublée de la bande à 1700 cm-1 (modes
symétriques et antisymétrique).
Transition : permet aussi de réfléchir à des mécanismes réactionnels.
4) Elucidation mécanistique
(si le temps)
T : réaction photochimique Carey T1 p.222. Il est postulé qu’on passe par un cétène
intermédiaire.
Expérimentalement, au cours de l’irradiation un signal à 2118 cm-1 apparait puis
disparaît. C’est caractéristique des cétènes ! Conformation expérimentale du mécanisme
postulé
Conclusion :
L’IR c’est trop génial. On n’a plus besoin des tests caractéristiques qui détruisent notre
produit ! Problème : si on a vraiment aucune idée de la structure, on n’a pas accès à
l’enchaînement des atomes de carbones avec cette spectro. C’est pourquoi la prochaine
leçon porte sur la RMN.
Ou : ouverture sur la femtospectro mais je préfère RMN
LO 28 : Spectroscopie RMN 1H : principe
et utilisation pour la détermination de structure
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
Spectroscopie UV-visible et IR, Spin électronique, Magnétostatique,
Effet inductif / Mésomère, répartition de Boltzmann
T&D PC, HP PC, Fribolin, Canet, Siverstain, Atkins, Clayden,
Rouessac, Vollhardt
Introduction : Rouessac p.320
En chimie organique on a besoin de déterminer la structure des molécules qu’on a
synthétisé. UV-visible et IR ; infos structurales mais pas détermination complète de
structure…
Au lycée vous avez vu une autre spectro : RMN, premiers travaux par Bloch et Purcell
en 1945 (Prix Nobel 1952).
On a comprendre aujourd’hui comment ça marche.
Spectre du chlorure d’éthane Silverstein p.180
On va chercher à expliquer ce spectre au cours de la leçon
I. Principe de la RMN
(15')
1) Notion de spin nucléaire
HP p.478 + Atkins
a) Présentation
* On avait vu le moment de spin de l'électron S, (degré de liberté interne à l'électron).
Proton et neutron ont aussi un spin => on a un spin nucléaire.
* Notion de spin nucléaire, noté par un vecteur I. Différents cas envisageables.
I possède les mêmes propriétés que S
Conditions de quantification : I² (norme) et Iz (projection selon un axe qcq) sont
quantifiés. Formules. I entier ou demi entier.
T : valeurs de I pour différents noyaux, différents I pour différents isotopes.
Remarque : propriétés du noyau => spin nucléaire modifié entre H et D. HP p.478
Pour la RMN, on veut I≠0. => Noyaux étudiables en RMN. Proton très utilisé car I≠0
et très abondant. On va surtout s’y intéresser dans la suite.
b) Interaction avec un champ magnétique
*Moment magnétique : μ=γI
γ : rapport gyromagnétique, valeurs Atkins p. 1014
Noyau = petit aimant de moment magnétique μ -> peut interagir avec un champ
magnétique B0 avec une énergie d’interaction : E = -μ.B0
Si B0 selon z alors E = -γmIhB0
Transition : à partir de maintenant on ne s’intéresse qu’au proton, très utilisé en chimie.
2) Cas du proton
H prépa p.479
* I=1/2 => mI= + ½ ou-1/2
2 états α (parallèle) et β (antiparallèle), levée de dégénérescence ΔE = hγB0, application
numérique pour 11.74T
* RMN : transition entre état α et β. Fréquence de Larmor : déf, expression. Spectre
électromagnétique pour montrer le domaine des radiofréquences Atkins p.244
* Mais dans un échantillon on n’a jamais qu’un seul spin. Description de la répartition
par la statistique Boltzmann. AN pour 11.74T. Intensité du signal dépend de la différence
de population ; calcul type Boltzman.
* Champ intense : meilleure résolution
Spectre de l’aspirine à 90 et 400 MHz Rouessac p.341
Transition : Un peu plus de spin up que down => petite aimantation selon uz. Idée : pour
la détecter on va la faire basculer dans xOy. Comment faire cela ?
3) Mise en oeuvre expérimentale
Rouessac p.329-331, H prépa p.480 , Canet, Silverstein, T&D
* Schéma (mélange du Rouessac p.331 et H prépa p.480)
* On va appliquer un champ B1 perpendiculaire à B0. ODG de B1. Ce champ permet si
la fréquence et le temps d’impulsion sont corrects d’amener l’aimantation dans le plan
xOy.
Puis on enlève B1. L’aimantation revient en B0 = précession. On va détecter cette
précession.
On détecte la relaxation, on fait la TF du signal temporel. Petit schéma.
* Echantillon : solvant, sonde. HP
Transition : on a compris comment on peut avoir un signal. Mais on voit que le spectre
de l’intro que plusieurs pics. Pq ? Comment interpréter ? Quelles sont les axes du
spectre?
II. Paramètres d’un spectre RMN
(15’)
1) Déplacement chimique
Rouessac p.332, Tec & Doc p.258
* Effet de l’environnement chimique du proton (permet de distinguer les différents
protons d’une molécule). Le nuage électronique induit localement par son mouvement
un faible champ induit qui s’oppose au champ appliqué (loi de Lenz).
Schéma Tec & Doc p.258
Déf de la constante d’écran, nouvelle fréquence de résonance différente de celle de
Larmor
Pb : fréquence de résonance dépend du champ appliqué.
* Pour avoir qqch d’intrinsèque, on définit une échelle relative de déplacement chimique
(expression, référence=TMS). => ppm
* Retour au spectre d’intro (5 protons mais seulement 2 signaux car chimiquement
équivalents)
Blindage et déblindage ; définition ; influence des atomes proches : si atome
électronégatif, proton déblindé. Idem si –I ou –M. Protons isochrones.
*Valeurs de déplacement chimique en fonction de l’électronégativité Vollhard p.400 ou
HP
Retour spectre intro (CH2 plus déblindé que CH3)
Transition : Pourquoi des pics plus grands que d’autres ?
2) Intégration Tec & Doc p.262 HP
Aire sous le pic proportionnelle au nombre de protons équivalents.
Le spectromètre superpose au spectre la courbe d’intégration transformant les aires en
hauteurs Retour spectre d’intro
3) Couplage spin-spin Tec & Doc. 262 et H prépa p.490
* 2 aimants l’un à côté de l’autre interagissent, de même pour deux spins ; système AX
Constante de couplage = écart entre les deux fréquences de résonance, en Hz,
indépendante de B0 ; dépend du nombre de liaisons entre les deux protons ; couplage 2J,
3J, 4J
* Pas de couplage entre protons équivalents car entrent en résonance simultanément
Généralisation : règle des « n+1 » et triangle de Pascal
* Retour au spectre d’intro
III. Application à la détermination de structures
(20’)
1) Composé aliphatique Tec & Doc exercice 3 p.275 (correction p.278)
Insaturation. Attributions des déplacements chimiques, multiplicités, intégrations Tec &
Doc p.261
2) Composé aromatique H prépa exercice 15 p.506 (correction p.801)
T courant de cycle : schéma Atkins p.524 et Rouessac p.336
3) Détermination de stéréochimie
Exemples : hydrogénation catalytique Actualité chimique, Horner Wadsworth Emmons
Grüber
Valeurs de constantes de couplage H prépa p.492
Conclusion : Atkins + Rouessac
Méthode performante pour l’analyse structurale surtout quand couplée à d’autres
techniques (IR)
Importance en biochimie (structure des protéines par RMN multidimensionnelle) et en
médecine (IRM cf Atkins).
LO 29 : Différents modèles de réactivité
en chimie organique
Niveau :
Pré-requis :
L2
Chimie organique de L1 (RMgX, C=O), Hückel, théorie des OM,
angle de Burgi-Dunitz,
Lalande PC, Tout-en-un PC, TD PC, ICO, Loupy, Carey T2,
2) Postulat de Hammond
Lalande, ICO
* Enoncé Lalande p.90
* Etat de transition tardif et précoce + schéma sur transparent
* Intérêt du postulat => Difficile d'avoir des infos sur les états de transiton (faible durée
de vie) => On raisonne sur les espèces les plus proches des ET.
3) Rationnalisation de la réactivité
Introduction :
* Objectif du chimiste : contrôler un maximum les produits formés par réaction donnée.
Régio-stéréo-chimio-sélectivité.
* Peut-on prédire la réactivité? Peut-on orienter une réaction en jouant sur les paramètres
expérimentaux? Il faut développer des modèles permettant de justifier les observations
expérimentales et généraliser à plusieurs types de réactions pour pouvoir ensuite essayer
de les prédire.
* Une molécule est d'autant plus réactive que la vitesse associée à la réaction est grande,
i.e. Ea petite.
* Il faut donc s'intéresser à la stabilité des ET.
Différents raisonnements selon qu'on ait un état de transition précoce ou tardif.
- ET tardif : on raisonne directement sur l'intermédiaire réactionnel
- ET précoce : il faut raisonner sur l'approche des réactif
Lorsque deux réactifs s'approchent, divers type d'interactions, répulsives ou attractvies
apparaissent, selon le bilan énergétique, ces espèces chimiques continuent de se
rapprocher jusqu'à former ET et il y a réaction ou elles finissent par se repousser.
Expression de l'énergie prenant en compte ces diverses interactions : ICO p.145
Equation de Klopman et Salem simplifiée : ΔE = ΔEstérique + ΔEorb + ΔEélectrostat
Origine des trois termes de l'équation.
I. Déroulement d'une réaction chimique
II. Modèle de réactivité en contrôle cinétique
Biblio :
1) Contrôle cinétique et contrôle thermodynamique
* Rappels sur les notions de contrôle thermo et cinétique Lalande p.85 + HP p.518 +
Tout-en-un PC
Ne pas opposer complétement les 2 contrôles, parfois ils vont dans le même sens mais ce
n'est pas vraiment ce qui nous intéresse, on veut compétition pour pouvoir choisir.
T : Equations, hypothèses et calcul final pour chaque contrôle (ne pas détailler calculs)
* Définition propre de contrôle thermo et cinétique Lalande
Paramètre discriminant : le temps
D'autres paramètres influencent indirectement cette discrimination, comme la
température : si T augmente, vitesse augmente dans les deux sens de l'équilibre => on
atteint plus vite l'équilibre.
Contrôle thermo : sélectivité subie : on obtient le produit le plus stable, on ne peut pas
modifier la thermo.
Contrôle cinétique : on obtient le produit qui se forme le plus vite => ici on va pouvoir
jouer sur des paramètres, c'est celui qui va nous intéresser par la suite.
Transition : On va voir dans la suite qu'avec les conditions expérimentales, on peut
« choisir » quel est le produit qui se forme le plus vite. Mais d'abord, quels sont les outils
du contrôle cinétique?
1) Etats de transition tardifs
Addition électronique ionique Lalande p.91
Pour connaître le chemin le plus rapide : on classe les IR. Cela justifie la règle de
Markovnikov.
Schéma des IR, exemples.
2) Etat de transition précoce Lalande + ICO p.145
On regarde l'approche des réactifs en espérant avoir des infos sur l'ET
Lors de l'approche, les molécules se repoussent (nuages électroniques en visu) : il faut
trouver un moyen de limiter cette répulsion ou de trouver des interactions stabilisantes.
Il faut faire l'hypothèse de non croisement.
Retour équation de Klopman et Salem : on va étudier les cas limites où l'une des
interactions l'emporte.
a) modèle de contrôle stérique
* Exemple de la réduction du camphre : présenter le bilan de la réaction ICO p.583
On obtient le produit le moins stable => prouve le contrôle cinétique.
Contrôle stérique souvent supérieur aux 2 autres. Exemple: réduction du camphre ICO
p.583
Explication avec modèle moléculaire, proportion, vérif contrôle stérique, changement de
Me en H, inversion de sélectivité, réducteur plus encombré renforce la sélectivité.
On limite la répulsion stérique lors de l'approche.
* Autre exemple : hydroboration : ICO Exemple
b) modèle de contrôle de charge
* Exemple : Addition d'un RLi sur une α-énone. TD p.512
2 sites réactifs : dessiner les formes mésomères de l'acroléine au tableau.
Hulis : calcul de charge du système π
R-Li très polarisée => addition 1,2
* Exemple : Addition de HBr radicalaire sur un alcène Lalande
c) Modèle de contrôle orbitalaire
Approximation des orbitales frontières, HO/BV, interactions prépondérantes, théorème
de Fukui ICO p.135 + Lalande
Exemple : Diels-Alder, régio et stéréosélectivité ICO p.240
III. Compétition entre les différents modèles de réactivité
1) Régiosélectivité de l'attaque d'un organométallique
TD + HP
Différence de régiosélectivité entre RLi, R2CuLi, RMgX =>différents types de contrôle
selon le réactifs.
On a vu contrôle de charge pour RLi, attaque en 1,4 ne peut pas s'expliquer avec charge
HP p.640
Rappeler HSAB : dur-dur : contrôle de charge, mou-mou : contrôle orbitalaire.
Calculs Hulis charges et orbialaires.
2) C/O-alkylation Loupy p.143 + Carey T2 p. 24 + TD
Importance du solvant, du groupe partant... détailler plus ou moins selon le temps qu'il
reste. Suivre le Loupy
Conclusion :
Bilan + on a présenté des modèles limites, mais on ne peut pas trancher si simplement
entre les différents modèles. Exemple hydroboration, contrôle principal stérique mais
contrôle stérique modulé par les effets électroniques. ICO => limites des moldèles (peutêtre discuter de la limites de des addition 1,4)
La discussion est complexe, il faut tout prendre en compte. Cependant, cela reste très
utile car fonctionne bien en général et le raisonnement est assez simple.
LO 30 : Molécules chirales : obtention et intérêt
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L3
Stéréochimie/stéréodescripteurs, Chimie organique de base, énolates,
Notion de sélectivité, Prochiralité, Diagrammes binaires
Clayden (chap 45 = la leçon…), Collet (Molécules chirales, très bien
surtout pour les binaires), Rabasso (Hétéroélément, stratégie de
synthèse et chimie organométallique), ICO (ex industriel avec
rendement), Eliel (p.397), Kürti, OCP Procter, ,Chirality in industry
(grande BU)
Intro :
Déf :
- Molécule chirale : non superposable à son image dans un miroir
- Couple d’énantiomères : 2 molécules images l’une de l’autre dans un miroir mais non
superposables (exemple avec modèles moléculaires),
- Mélange racémique.
Enantiomères indiscernables tant qu’on ne les met pas dans un environnement chiral.
Exemples et intérêt d’avoir un énantiomère par rapport à l’autre.
Molécules naturelles : énantiopures et parfums discernables par le nez : récepteurs
chiraux dans le nez. Exemples de médicaments et parfums, saveurs sur transparent (ICO
p483 et 85, JCE, Clayden p.1120, Collet p.180)
I. Fond commun chiral : centres chiraux naturels
1) A partir d'acides aminés
* Synthèse du (S)-(-)-ipsénol (phéromone de scarabée) à partir de la (S)-(-)-Leucine.
Clayden p.1222-1223
* Présentation au tableau de la rétosynthèse
* Synthèse sur transparent avec 2 inversions par SN2 => rétention de configuration
* Présenter la synthèse de l’oxazolidinone d’Evans à partir de la noréphédrine qui sert
dans le II. => le pool chiral est un outil pour la synthèse assymétrique. Au tableau
Rabasso p.306 + Clayden p.1228
Pointer du doigt la non disponibilité de certain aa, notamment D
Pointer du doigt le fait que toutes les étapes de la synthèse doivent conserver
l’information chirale, pas d’épimérisation !
2) A partir de sucres
Clayden p.1223 : Sulcatol (autre phéromone de scarabée) : R/S = 65/35
Synthèse du (R) à partir du désoxyribose, difficile d'obtenir le (S) (ne pas présenter toute
la synthèse, juste la rétrosynthèse au tableau ?)
Pointer du doigt la non disponibilité de certain sucres, notamment L.
Dans le cas des sucres, il arrive souvent qu’on enlève des centres stéréogènes ; il faut le
savoir et il faut aussi pouvoir expliquer comment on fait ça. Il est également intéressant
de présenter un exemple avec inversion de configuration ou un avec rétention (i.e.
double inversion)
Transition : il nous faut donc développer des outils afin de synthétiser un énantiomères
sélectivement par rapport à l’autre…
II. Synthèse asymétrique
Synthèse d’un seul des deux énantiomères à partir d’un substrat prochiral.
S’aider de diagrammes énergétiques pour justifier le sens de la réaction.
1) But : dissymétriser l’état de transition Clayden p1225
* Transparent diagramme énergétique
* Contrôle cinétique.
Si ET énantiomères : mélange racémique à la fin.
=> Passage par des ET diastéréoisomères, profil dissymétrique => obtention d’un
énantiomère majoritaire à la fin.
* Caractérisation de l’efficacité de la réaction avec l’excès énantiomérique : rappel de
la définition du ee.
* Il faut une source de chiralité dans le milieu si on veut une molécule chirale à la fin.
Pas de création de chiralité, INDUCTION.
Attention aux schémas (abscisse et ordonnée) : représentation microscopique
(Ep=f(CR)) ou représentation macroscopique (ordonnée : enthalpie libre ; pas
d’abscisse)
Transition : mais comment dissymétriser ?
2) Réactif ou substrat chiral
Substrat chiral : Clayden p.890 synthèse de la dolastatine
R + S* ->P* (substrat S = « grosse molécule » ; réactif R = “petite molécule”)
Réaction diastéréosélective
Comment expliquer la sélectivité ?
Modèle de Felkin-Anh au tableau pour expliquer la stéréosélectivité de la première étape
OCP Procter p27, attaque selon l’angle de Burgi-Dunitz, schéma synthétique sur
transparent.
Possibilité de faire une partir réactif chiral : Brückner p.99 : S + R* -> P*
3) Auxiliaire chiral
Kurti p 163 + Rabasso p.305 pour infos sur les copules.
R + Aux* -> R-Aux* puis R-Aux* + S -> P-Aux* puis P-Aux* -> P + Aux*
Si 1ère étape de la synthèse, pas forcément de centre chiral sur la molécule : utilisation
d’auxiliaire de chiralité, oxazolidinone d’Evans (1979).
Exemple de la synthèse de la Glucolipsine A (activateur de la glucokinase) sur
transparent. Kurti, Evans Adol reaction / Rabasso
Réaction énantiosélective, dessin d’un ET Zimmermann-Traxler au tableau. Copule
chirale orientée pour minimiser le moment dipolaire.
Présenter les autres sur T pour bien expliquer lequel est favorisé
=> énolate Z majoritaire donc syn, et un seul des syn car copule. Chiralité apportée par
la copule chirale dans ce cas.
Elimination de la copule chirale par 3 méthodes : Rabasso
LiAlH4 pour alcool, LiOR pour ester, LiOH/H3O+ pour acide carboxylique. Formation
de
2 nouveaux centres asymétriques.
(Autre exemple : Clayden p.1226-1230)
Transition : ici ma molécule attachée (copule). Il serait intéressant d’introduire en petite
quantité si coûte cher.
4) Catalyseur chiral Clayden p 1236
R + S -> P* en présence de C*
L-DOPA (traitement de Parkinson, énantiomère toxique) obtenue par hydrogénation
catalytique d’un précurseur en présence d’un catalyseur chiral. ICO p.190
Rétrosynthèse au tableau
Transparent : synthèse utilisation d’un catalyseur avec un ligand chiral.
Comment la présence du ligand permet la sélectivité désirée ? Transparent
Contrôle cinétique
Transition : pour certaines réactions on n’a pas trouvé le moyen de les rendre
énantiosélectives. Peut coûter cher … => synthèse racémique puis séparation des
énantiomères = dédoublement racémique.
III. Dédoublement racémique
Attention résolution est le mot anglais, à éviter. Dire qu’une fois qu’on a séparé :
attention à ne pas épimériser. Avantages de ces techniques : facilité de mise en oeuvre,
coût faible. Pb : marchent au cas par cas, s’il n’est pas possible d’isomériser
l’énantiomère qui ne présente pas d’intérêt pour le recycler le rendement ne dépasse pas
50%.
1) Cristallisation
Collet p.181 environ + ICO p.87 environ
Exemple historique mais faible champ d’application.
Propriétés des énantiomères identiques mais propriétés des cristaux différentes.
T : Définition de racémique vrai, conglomérat, pseudoracémique et schémas
=>Séparation d’un conglomérat par cristallisation simultanée des 2
Enantiomères : solution sursaturée. Si pas de précaution particulière : tri à la main, cf
Pasteur => pas exploitable industriellement=> ensemencer la solution sursaturée.
schémas du binaire et du réacteur industriel sur transparent ICO p89
Transition : conglomérat : slt 4% des cas, que faire dans autres cas ?
=> Purification par cristallisation fractionnée d’un racémique vrai : à partir d’un mélange
scalémique (composition ni racémique ni énantiopur), exemple de l’acide mandélique
ICO p 90, présentation du diagramme binaire T et calcul du rendement max en
énantiomère
Transition : Mais ne marche pas si on n’est pas bien placé sur le diagramme au départ.
Le rendement d’obtention d’un énantiomère pur d’un composé racémique à partir d’un
mélange partiellement enrichi dépend étroitement de la composition de ce mélange et de
l’allure du diagramme binaire liquide/solide des énantiomères… => ne peut pas marcher
pour tous les cas.
Attention : pour le diagramme binaire du racémique vrai, celui projeté est incomplet et
perd de son intérêt ; pour être plus précis que lors de la correction orale, on refroidit un
mélange de composition x > 0,6 et on cristallise uniquement un énantiomère jusqu’à ce
que le liquide ait la composition de l’eutectique : on arrête la cristallisation à ce
moment-là pour éviter de cristalliser cet eutectique.
2) Chromatographie chirale Collet p 228
Solution efficace mais coûteuse et limitée en échelle.
HPLC = High Performance Liquid Chromatography.
Phase stationnaire ou mobile chirale, souvent phase stationnaire.
Interactions diastéréoisomères entre colonne et énantiomères : au tableau de manière
schématique.
Mesure de l’ee en sortie de colonne.
Différent type de colonne selon ce qu’on veut séparer
Flexcam : montrer différentes phases et utilisation. Parler des cyclodextrines (polyoses),
les plus simples et très utilisées car peu chères.
Transition : techniques vues se basent sur la formation d’un produit contenant les 2
énantiomères puis séparation. Autre possibilité : jouer sur la cinétique pour avoir un
énantiomères plutôt qu’un autre.
3) Dédoublement cinétique
Principe
Conditions de contrôle cinétique. Exemple du sulcatol, dédoublé par estérification
catalysée par une lipase Eliel p418. Schéma disymétrisant les états de transition.
S’aider d’un diagramme énergétique pour justifier le sens de la réaction. Attention à
l’abscisse : faire partir l’origine de la coordonnée réactionnelle du centre du
diagramme si on veut en dessiner une Attention à ne pas mettre R et S au même niveau
Rendement max = 50% => on peut améliorer la méthode en passant par un
dédoublement dynamique, à la condition que l’autre énantiomère ne nous intéresse pas.
4) Dédoublement dynamique (si on a le temps)
Eliel
5) Formation de diastéréoisomères
(-+)A + (+)B* =>(++)A-B* + (-+)A-B*
énantiomères =>diastéréoisomères
Séparation des diastéréoisomères et récupération de A pur par réaction de coupure.
2 réactions supplémentaires => doivent être quantitatives.
Exemple : séparation des énantiomères d’un acide aminé synthétisé par la méthode de
Strecker. Dédoublement avec le mentholate de sodium Clayden p 401)
On ne crée pas de chiralité : 2 réactifs achiraux =>mélange racémique
Autres méthodes : CPG chirale, colonnes avec complexes par composés métalliques,
Calorimétrie (Collet p233), complexes d’inclusion (ICO p92), résolution dynamique
(épimérisation 50% restants)
Conclusion :
T : Bilan des 3 méthodes avec avantages et inconvénients de chacune. Collet p 216 +
Clayden p.1243
Parler de coût et de quantité (=> industrie)
Ouverture sur l’origine de la chiralité, toujours inconnue à l’heure actuelle. Clayden
p.400
LO 31 : Des acides aminés aux peptides
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L3
Base de biologie, A/B diagramme de prédominance, protection et
groupements protecteurs, nomenclature de Fischer
Clayden, OCP7 « Amino Acid and Peptide Synthesis », Vollhardt,
Rabasso I, Berg, Voet, ICO,
-chaine avec hétéroatome et ex.
=> ptés structurales, réactivité…
*C(α) est S sauf pour la cystéine.
*1 seul aa avec amine 2daire : proline.
*viennent de l’alimentation car notre corps de sait pas les synthétiser
Transition : on voit qu’ils ont une fonction acide et une amine => quelle va-t-être la
réactivité?
2) Réactivité
Rabasso, Stryer
Intro :
OCP(introduction)
Définition des termes, intérêts, exemples.
AA = brique élémentaire du monde vivant.
Grâce à ces AA on peut former des peptides -> définition (- de 50 aa, souvent un rajoute
un préfixe pour dire combien d’aa dans le peptide, ex dipeptide, tripeptide…), puis des
protéines -> définition (+ de 50 aa, macromolécule)
=> Enzymes, protéines, hormones, tissus, peptides de défense toxiques sécrétés par bcp
d’insectes ou d’animaux, médicaments…
Ex : aspartame (ICO p.683), vasopressin (OCP) oxytocine (Clayden) et utilisation …
=> Besoin énorme d’aa et de peptides : traitement médical, alimentation,…
Objectif : mieux comprendre ce que sont les aa, leurs propiétés et comment le
chimiste peut les utiliser pour former des peptides.
I. Les acides aminés
(15')
1) Présentation
Rabasso, Stryer
On se limite au α aa car c’est ceux qui entre dans la formation des peptides…
Acide -> COOH, Aminé -> NH2 ; α -> structure
Chaine latérale
Mis à part pour la glycine ou R=H, on voit déjà que chiralité possible : isomère L et
isomère D.
Dans le corps humains : seulement des L, 20 aa différents. (Remarque : les peptides
toxiques contiennent des D et des L, les D ne sont pas reconnus par l’homme => toxicité
OCP)
Flexcam ou T : quelques aa.
*Classement des aa selon la nature de leur R
-chaine aliphatique et ex
-chaine aromatique et ex
a) Acido-basique
De la fonction aminoacide
AA = composés amphotères
pKa du groupement amine
pKa(R-COOH/R-COO-)=4-5 d’habitude. Pour les aa = 2 (effet inductif attracteur de
l’amine + liaison H stabilisant la forme acide)
Donner des valeurs précises !
Diagramme de prédominance => à pH=7 zwitterion.
pI : modulé par les chaines latérale !
●
● Des chaines latérales
Donner des ex précis avec pKa.
b) Nucléophilie électrophilie
DNL du N : nucléphilie.
C du COOH : électrophilie
Transition : on a dit que aa importants. Comment peut-on les synthétiser ?
3) Synthèse
(à adapter selon le temps)
Vollhardt, OCP, Rabasso
AA : Additif alimentaires, matériel de départ pour synthèse de peptides… (OCP). Soit
synthèse du racémique puis dédoublement, soit synthèse assymétrique.
(-Synthèse de Hell-Volhard-Zelinsky : pas très bon rendement.)
-Synthèse de Strecker tableau
-Synthèse de Gabriel T
=> nécessité d’un dédoublement : critallisation : OCP
Transition : et si on les assemblait maintenant ?
II. Les peptides
Remarque : ne pas hésiter à employer le nom couplage peptidique.
(10')
1) La liaison peptidique
Stryer
Schéma de formation d’un dipeptide.
Définition de la liaison peptidique : liaison amide entre 2 aa.
Forme mésomères et conséquences
- Liaison localement plane
- O + riche en électrons
- Amide cis et trans. La plupart du temps sera trans pour des raisons de gènes stériques
(remarque : pour la proline on a environ idem de cis et trans => importance sur la
structure).
Transition : on a un dipeptide, et si on continue d’ajouter des aa comment décrire la
chaine résultante ?
2) De la chaîne polypeptidique à la structure 3D
Stryer Vollhardt (+ OCP)
Structure
-I (définition extréminé N et C term),
-II,
- III (ex de la vasopressine : pont disulfure (OCP) ou l’insuline + structure : Vollhardt)
-IV (ex de l’insuline, Stryer p.36).
Remarque : la forme est importante en bio, ce sont les enzymes qui s’occupent de la
mise en forme. Trop compliqué pour le chimiste !
III. La synthèse peptidique
(20')
1) Position du pb
Vollhardt Claydenp.651 OCP
* Régiosélectivité, schéma : à partir de 2 aa on peut obtenir 4 produits ! => il va nous
falloir des GP pour amine et acide carbox. Idéalement orthogonaux pour qu’on puisse
jouer selon ce qu’on veut sur une extrémité ou l’autre.
* Activation de l’acide (sinon on a d’abord formation de sels et donc pour faire le
couplage il faudrait de très hautes T ce qui n’est pas compatibles avec d’autres
groupements fonctionnels…, OCP).
* Epimérisation
=> On va voir ça sur un exemple !
2) Stratégie de synthèse : ex de la synthèse de l’aspartame
Claydenp.651 OCP ICO
T : synthèse globale de l’aspartame. Bien montrer la stratégie de synthèse.
Mécanisme de protection d’une amine par CbZ. Autre type de GP T. (Fmoc,
groupements benzylés…)
Protection de l’acide carboxylique.
Mécanisme de formation de l’ester activé (utilisation de DCC).
Mécanisme de déprotection. Parler d’orthogonalité.
=> T avec GP, conditions de protection et de déprotection
Bien préciser à chaque fois quelle réactivité on masque (nucléophilie de l’amine…) et
comment elle est masquée (dans un carbamate l’azote n’est plus nucléophile, cf formes
mésomères)
Bilan sur la stratégie de synthèse : schéma avec grandes étapes
3) Synthèse sur support solide
OCP
Merrifield Stryer p.92 (utilisation du Fmoc !)
Sheppard. Vollhardt p.1215 + Clayden p.658
Ex de l’oxytocine ICO p.684 + Clayden p.652
Conclusion :
Bilan
Ouverture sur les protéines, enzymes et réactions avec enzymes (synthèse de
l’aspartame)…
LO 32 : Les composés organophosporés
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L3
Chimie organique de base (électrophile/nucléophile, SN, redox,
ac/base) -contrôles cinétique et thermodynamique- les amines, les
alcènes, dérivés carbonylés, RMN1H, complexes,
Quin, Emsley The Element, Rabasso Hétéroélément, Clayden, Astruc,
ICO, T&D PC, Kürti, Carey T2
les propriétés redox. Energie de liaison P-O et P=O Emsley
* Doublet libre : propriétés nucléophiles, base de lewis (utilisé en catalyse) et acide/ base
Brönsted, on utilise rarement cette basicité sur le P mais plutôt celle en alpha qui est bien
plus importante donner des pKa Rabasso2 les pKa des phosphonium sont ds la partie sur
Wittig
Transition : on connait un peu mieux les propriétés du phosphore et de ces composés
voyons comment les utiliser en synthèse.
II. Réactivité intrinsèque au phosphore
(20')
1) Base de Lewis
Intro : Quin p.2
La chimie du phosphore est a priori peu connue mais très vaste. On rencontre beaucoup
cet élément dans les engrais sous forme de phosphite/phosphate c’est-à-dire des
composés inorganiques (P lié à des hétéroatomes). Nous on va s’intéresser au P au sein
de composés organiques. Définition organophosphoré (parallèle avec organométallique :
présence d’une liaison C-P. Ce sont aussi des composés très utilisés en chimie. Exemples
sur transparent (labo : catalyseur BINAP Quin p75, ou à plus grande échelle domaine
médecine Quin p364 antihypertension ou herbicide Quin p372.
Objectif : comprendre l’intérêt qu’on porte à ses composés en étudiant leurs propriétés
et réactivité.
I. Propriétés des composés organophosphorés
(10')
1) Le phosphore
* P dans le CP, même colonne de N : même configuration de valence, 3s² 3p 3 , formule
de Lewis, hypervalence possible et pour les composés trivalents géometrie Td autour du
phosphore.
* Autre propriété intrinsèque du phosphore : un seul isotope, assez abondant, de spin
nucléaire ½ c’est intéressant en chimie pour l’analyse des composés phosphorés en
RMN, ça fonctionne comme pour le proton c’est cool ! Emsley + Rabasso p 22
Transition : cette spectroscopie permet de classer les différents composés dans
phosphore entre eux. Axes en ppm de RMN Quin p.174 + nomenclature des composés
Rabasso p.22
2) Propriétés chimiques des composés organophosphorés
* Electronégativité Emsley comparée de C, N et P, χC entre χP et χN => liaison
polarisée, énergie de la liaison C-P.
* Chiralité Rabasso p23 + ICO
* Structure électronique : plein de degre d’oxydation accessibles Rabassop23 , ça traduit
Catalyseur de Wilkinson, exemple ICO p.189
Mécanisme : cycle? Astruc p354 + OCP 6 p54 Labilité du ligand
Mais encore plus important => stéréosélectivité possible avec des ligands plus élaborés.
Exemple catalyse asymétrique : L-DOPA Astruc p357 + ICOp.190 intérêt médicament
contre la maladie de Parkinson. Clayden p.1236
2) Nucléophilie et électrophilie du P
a) Halogénation de Mukayama
Bilan. Mécanisme. Rabasso p.26
Exemple ICO p.400+ Carey p.127
Transition : P permet de passer d'un alcool à un dérivé halogéné mais permet aussi de
créer un ester avec changement de configuration.
b) Estérification de Mitsunobu
Bilan au tableau.
Mécanisme sur transparent avec ajout de flèches. Inversion de configuration due a une
étape SN2, application en synthèse totale pour avoir bonne sélectivité. Rabasso p.31
Inversion de configuration d'alcool après saponification. Exemple ICO p.406 + Carey
p.135
c) Réaction de Staudinger
Bilan : il y a réduction Kürti p.24
Mécanisme au tableau, attaque nucléophile , formation d’un cycle à 4 centres et on voit
déjà d’un doublement liés, on va former du N2 par rétrocycloaddition. Obtention d’un
iminophosphorane qui est hydrolysé (analogie avec hydrolyse d’une imine)
Exemple Kürti p.428
Transition :
III. Influence du phosphore sur la réactivité du carbone en α
(20')
1) Réaction de Wittig
a) ylure de phosphore
Def TD: composé comportant deux charges opposées adjacentes dont l’une est portée
par un hétéroatome. Donner sa structure. Obtention des ylures Rabasso p.24+26
b) formation de C=C
Equation bilan : ylure + dérivé carbonylé donnent alcene +oxyde de phosphine. Interet
de la formation régiosélective de la C=C.
Exemple montrant une certaine stéréoselectivité on va l’expliquer avec le mécanisme
Kürti
Mécanisme (au tableau) Rabasso p37 et Kürti
Remarque : (ne pas en parler) une oxasphosphétane se forme plus vite et l’autre évolue
plus vite vers l’alcène (mais attention pas un produit cinetique et un thermo on est
souvent sous contrôle cinetique puisqu’on joue sur les vitesses de reaction)
Parler d'ylure stab, semi-stab, non stab. Expliquer la stéréoselectivité en fonction de
l’ylure utilisé. Présenter sous forme de tableau.
Influence des sels de Li, modif de Schlösser.
Transition : Il existe des réactions fortement inspirées de celle de Wittig permettant aussi
de former des alcenes de façon sélective
2) Réactions apparentées
a) Horner Wadsworth Emmons
* Formation du phosphonate : réaction d'Arbusov Rabasso p.28
* Réaction : exemple sur transparent Kürti, réactif un peu différent (phosphonate),
sélectivité E tout le temps, pas de consensus concernant le mécanisme + interet : on
forme un sous produit soluble en phase aqueuse , plus facile à éliminer du milieu
réactionnel que l’oxyde de phosphine.
b) Modification de Stille et Gennari
Kürti CF3 change la sélectivite , utilisation d’un éther couronne qui évite la réouverture
de l’oxaphosphétane, en faveur du produit Z.
Tableau récapitulatif sur création de C=C.
Conclusion :
Schéma bilan + ouverture sur d'autres ylures possible avec le soufre.
LO 33 : Approximation des orbitales frontières :
principe et applications à la chimie organique
Contrôle orbitalaire : espèce neutres.
Ex de l’intro : les 2 premiers ne semblent pas expliquer la réactivité => contrôle
orbitalaire ?
A présent on se place en contrôle orbitalaire.
3) Approximation des OF
L2
diagramme d'OM, HO, BV, théorie de Hückel, profils réactionnels (ET,
IR...), réactions en chimie organique : les dérivés carbonylés, alcènes...
NTA vert, Hiberty, Fleming, ICO, Volatron, HP PC (vieux), Lalande
PC
Approche de 2 réactifs : schéma des OM pour A et B. Rappel HO, BV.
Interactions à 4 électrons (défavorables, inclus stérique), 2 électons (favorables) ou 0
électrons (pas intéressantes).
Pb : bcp trop d’interactions à prendre en compte, complexe.
=> On ne considère que les interactions à 2 électrons stabilisantes. ICO
Introduction :
Si on veut faire réagir différentes molécules ensemble plusieurs questions se posent : estce qu’elles vont réagir ensemble (réactivité absolue) ? Préférence pour certains substrats
(réactivité relative) ? Quel chemin est emprunté (sélectivité) ? HP p.127
Exemple de réaction de Diels-Alder où la gène stérique donnerait l’autre produit
(exemple qu’on réutilise dans la suite de la leçon) ICOp.244 Faire les flèches du
mécanisme. Mais pourquoi on obtient ce produit maj alors que tous les gros
groupements sont du même côté?
On va essayer d’expliquer ceci au cours de la leçon. Dans un premier temps il va nous
falloir parler de contrôle et introduire une approximation.
Les interactions à 4 électrons apportent un terme déstabilisant au système, qui sera
globalement du même ordre de grandeur pour deux réactions en compétitions. Comme
on s’intéresse ici à une comparaison des énergies des deux systèmes, on ne va pas
prendre en compte ce terme qui est environ le même pour les deux réactions. Attention :
pour que cette approximation soit réalistes il faut comparer des processus analogues
mettant en jeu le même type, et le même nombre de création et destruction de liaison !
Lalande
Mais il en reste encore bcp…
=> Stabilisation accompagant une interactions à 2 électrons proportionnelle à S²/(EaEb) => On ne va considérer que les interactions entre OF car ce sont les interactions à
deux électrons qui font intervenir les OM les plus proches en énergie. Fukui (PN 1981)
I. Approximation des orbitales frontières (OF)
Transition : maintenant application à des réactions qui ont été vu ou à des réactions
nouvelles…
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
1) Cadre de l'étude
Contrôle thermo et cinétique : profils énergétiques sur transparents => peuvent ne pas
conduire aux mêmes produits (attention pas toujours le cas, on peut avoir produit
thermo= produit cinétique)
Contrôle thermo : on peut raisonner sur les produits (connus donc « facile »)
Contrôle cinétique : il faut s’intéresser à la barrière énergétique, pb on ne sait pas
vraiment où se situe l’ET…
=> Postulat de Hammond. Lalande p.90
II. Réactivité
On veut savoir :
-si la réaction peut avoir lieu entre A et B
-si A peut réagir avec B et C avec lequel il réagira préférentiellement ?
1) Réactivité absolue
Si l’ET est précoce : on peut raisonner sur l’approche des réactifs.
Mais si l’ET est tardif ? il peut y avoir pb => hypothèse de non croisement (très souvent
correcte) => on raisonne sur les pentes. Lalande p.94
=> A présent on se place en contrôle cinétique et on va raisonner sur les réactifs.
NTA vert p.46 + Hiberty p.131
* Règle n°1 (sur T et on dévoile au fur et à mesure les différentes règles) : réaction
interdite si recouvrement frontalier nul
Cas des cycloadditions
Définition (ICO), définition diène et diènophile, explication notation [n,m]sur l’exemple
de Diels-Alder éthène + butadiène.
2) Contrôle orbitalaire d'une réaction
Approche des réactifs : perturbation.
3 termes : stérique, charge et orbitalaire.
Contrôle de charge quand réaction met en jeu une ou plusieurs espèces chargées.
=> 4+2 : éthène + butadiène, présentation des OM, détermination des OF, approche
supra supra (expliquer les termes supra)=> recouvrement non nul => autorisée
=> 2+2 : éthène + éthène => supra-supra interdite, supra antara autorisée mais trop de
torsion
L’approximation des OF permet ici de prédire des réactions que l’on ne pouvait pas
prédire avant
Remarque : si S=0, on n’a pas d’interaction entre HO et BV, on a que les interactions
déstabilisantes du premier terme de Klopman-Salem. ET très haut en énergie, donc en
théorie, réaction se fait si beaucoup d’énergie apportée !!
Transition : et la réactivité relative ?
2) Réactivité relative
* Règle n°2 : plus la différence d’énergie entre les OF est faible, plus la réaction est
facile Hiberty p.141 + NTA vert p.46
=> Un nucléophile réagira par sa HO
Un électrophile réagira par sa BV
- Comparaison de réactivité de chlorure d’acide, ester, amide, aldéhyde vis-à-vis de
NaBH4 Hiberty p.147 + NTA vert p.58 + Hulis
Plus la BV est basse, plus le composé est électrophile. => réaction d'autant plus rapide
avec un nucléophile.
- vitesses relatives de bromation d’alcène : + alcène substitué + π haute en énergie
dons plus réaction avec électrophile Br2 rapide. Schéma de niveau des HO. ICOp.199
Ou idem avec époxydation…
- Cycloadditions : régle d’Alder ICOp.240 : exemple de vitesse de réaction en fonction
de HO et BV.
Transition : on a vu comment prédire si une réaction était rapide ou non. Mais comment
se fait-elle exactement? => sélectivité.
III. Sélectivité
1) Régiosélectivité
* Régle n°3 : réaction préférentielle sur le site donnant les plus fortes interactions
frontalières Hiberty
- DA : ICOp.244 => l’exemple permet de montrer que ce n’est pas le contrôle stérique.
Explication en donnant les coefficients dans les OF. Réaction de DA : concerté mais
asynchrone.
- Enone : Lalande : addition des organolithien et organocuprate, résultats
expérimentaux + calcul sur l’acroléine avec Hulis pour expliquer.
2) Stéréosélectivité
* Règle n°4 : meilleur chemin d’approche = meilleur recouvrement Hiberty
- SN2 : inversion de Walden, pourquoi le nucléophile attaque le plus loin possible du
nucléofuge.
Nu réagit avec sa HO, RX réagit avc sa BV ICO p.138
- E2 : idem ICO +Claydne
- DA : règle de l’endo, cyclopentadiène (attention endo seulement sous contrôle
cinétique) Lalande + ICO p.242
- Burgi-Dunitz Hiberty : explication + exemple + modèle moléculaire
Camphre ICO p.583
Conclusion :
Bilan : on a introduit une théorie qui nous permet de prévoir/comprendre réactivité
(remontrer le T avec les règles).
Attention : approximation (non croisement…) Ne pas négliger les autres types de
contrôles cf ce qui a été vu avec addition organolithien sur énone.
LO 34 : Cycloadditions : principe et applications
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
Réactivité de base en chimie organique, Théorie des orbitales
frontières, Régiosélectivité,stéréosélectivité et stéréosélectivité en
chimie organique
Clayden, Carey T2, ICO, OCP (pericyclic reaction), Hiberty, Lalande
PC, Chaquin, Jean et Volatron I, NTA
Intro :
Parmi les réactions chimiques, nous avons déjà vu des exemples de réactions ioniques
comme les substitutions, addition nucléophile ou électrophile, les réactions radicalaires,
à présents nous allons voir les cycloadditions, appartenant à la troisième grande
catégorie de réactions chimiques, les réactions péricycliques, c'est-à-dire des réactions de
formations de cycles sans formation d'intermédiaires réactionnels.
L'étude de ces réactions est très intéressante. En effet, pourquoi s’intéresser aux
molécules cycliques? Ce sont de bons intermédiares de synthèse (cycles tendus réactifs),
cela permet de rigidifier structures : utilisé dans le vivant (hèmes) et de nombreuses
molécules naturelles et cibles thérapeutiques (stéroïdes) = cibles de synthèse + exemples.
*Aspects expérimentaux, différentes sortes de conditions réactionnelles pour ces
réactions : thermique et photochimique.
=> Selon nombre d’électrons engagés pas mm types de réactions. Pq ??
* La réaction de cycloaddition est exothermique, sous contrôle cinétique orbitalaire,
d'après le postulat de Hammond et avec une hypothèse de non-croisement des profils
réactionnels, la réactivité peut être donnée par l'approche des réactifs.
Transition : quelle peut-être l’approche des réactifs ?
2) Approches des réactifs Chaquin
* Deux types d'approches pour un réactif : (au tableau avec dessins) Suprafaciale ou
Antarafaciale
* 3 types d'approches pour les deux réactifs d'une cycloaddition (2 réactifs): avec dessin
avec des fleurs supra/supra ; supra/antara ; antara/antara
NB : configuration antara-antara défavorisée stériquement : demande une trop grande
torsion des fragments, surtout pour les petits => on n’en parlera plus vraiment dans la
suite..
* Symétries des approches, sur T (plan de sym ou axe C2)
Transition : On va donc regarder les symétries des orbitales moléculaires et en particulier
des orbitales frontières
3) Orbitales frontières et règles de Woodward-Hoffmann
I. Principe des cycloaddtions
1) Caractéristiques
* Définition ICO
* Terminologie : on note une cycloaddition [m+n]
* Exemples de 4+2, 8+2, 4+4 (ICO et OCP) T => compter les électrons en surlignant
les liaisons impliquées.
NB : On voit du [8+2], on peut même aller jusqu'à du [14+2] mais quand le système π
devient trop grand il faut que les molécules soient préorganisées pour pouvoir participer
à une cycloaddition et celles-ci sont plus rares.
* Exo T : Chaquin Les liaisons π étant généralement moins fortes que les liaisons σ, ces
réactions sont exothermique
Mécanisme :
● concertées : pas de formation d'intermédiaires réactionnels ICO
● asynchrone : les deux liaisons ne se forment pas à la même vitesse ICO
(remarque : attention si mol sym pas de raisons que ce soit asynchrone…)
* Mécanisme T (faire sur 2 ex)
Interactions entre A et B => pour simplifier on ne s’intéresse qu’aux OF : Fukui.
* 1er cas : réaction thermique, supra-supra [4+2]
Diagramme d'orbitales au tableau en parlant de symétrie pour butadiène et éthène (bien
montrer que si mm symétrie : recouvrement ; si pas mm symétrie : recouvrement nul =>
permet d’aller plus vite ensuite)
Illustration sur modèles moléculaires (recouvrements en phase ou non)
=> permise de symétrie : Jean et Volatron II (Chaquin)
Remplir en parallèle tableau avec règles de Woodward-Hoffmann.
* 2e cas : thermique supra-supra 2+2 Jean et Volatron II
Montrer recouvrement en phase et antiphase avec modèles moléculaires
=> interdite de symétrie.
Remplir en parallèle tableau avec règles de Woodward-Hoffmann.
Pourtant on a vu en intro qu’on pouvait quand mm faire des 2+2, on avait vu que
conditions différentes (photochimique). Pq ?
*3e cas : 2+2 photochimie en modifiant le diagramme au tableau Jean et Volatron II
Si le temps : faire 4+2 photochimique.
Finir le remplissage du tableau
Pour le cas antara il faudrait refaire exactement le mm raisonnement mais attention
l’approche n’est plus la mm => symétrie différente, axe C2
=> généralisation
Produits endo vs produits exo :
Adduits endo majoritaire même si il passe par l'état de transition le plus encombré
stériquement car existence d'interactions secondaires stabilisantes. Modèle moléculaire +
T (attaque, ET, produit)
* Réaction stéréospéficique :
Transition : on va voir des applications sur les exemples particuliers. Et dans un premier
temps avec la plus connue des réactions de cycloaddition, la réaction de Diels Alder.
II. Cycloadditions [4+2], réaction de Diels-Alder
Lalande ICO
(Clayden et NTA)
1) Présentation Lalande et ICO pour exemples
* Bilan sur butadiène + éthène Lalande.
* Définition ; cycloaddition s-s, 2+4, thermique.
Définition diène et diénophile.
Ex sur T de mol pouvant réagir en DA ou pas.
* Etude de la réaction simple butadiène et éthène.
Réaction concertée, asynchrone => mécanisme, approche dans des plans parallèles, il
faut que s-cis.
Supra-supra : exemple de résultats. Diastéospécificité. Exemple ICO ou Lalande
*Effet de substituant : règle d’Alder => comment expliquer ceci ?
Vu précédemment : diagramme d’OM : interaction HO-BV.
Exemple et diagramme comparaison cyclopentadiène et éthène ou anhydride maléique
ICO T.
=> explique pourquoi réaction prépondérante est la réaction de dimérisation du
butadiène quand butadiène + éthène (Lalande) => une molécule peut se comporter
comme un diène ou comme un diènophile.
Diels Alder à demande inverse (Clayden)
Transition : exemple 8 p.240 ICO avec problème de régiosélectivité
2) Régiosélectivité
http://www.hulis.free.fr/ Réaction régiosélective. Fukui : OF et + gros coefficient en
valeur absolue, règle du recouvrement max.
Donner la régiosélectivité selon la position du gpmt donneur sur le diène : ex 7 et 8 de
l’ICO p.240.
Transition : exemple ICO avec problème de stéréosélectivité.
3) Stéréosélectivité
Exemple ICO p.239 fumarate et maléate d'éthyle, réaction bilan et ET
=> on peut contrôler la stéréochimie de 4 centres asymétriques.
4) Applications en synthèse
Synthèse industrielle d’un fongicide (Clayden p 906)
Transition : et si on veut former des cycles à – de 6 chainons ?
III. Application à la synthèse des cycles à 4 et 5 chaînons
1) Cycles à 5
a) Présentation Clayden p.929 + Carey
* Toujours réaction 4+2, thermique, supra-supra
Les deux réactifs engagés sont :
* dipôles def+ exemple
* L'autre réactifs est habituellement un alcène ou un alcyne est appelé dipolarophile.
Exemple avec nitrone :
* Mécanisme :
* OF : Contrairement à la réaction de Diels-Alder, où le diène réagit de préférence avec
sa HO, le dipôle 1,3 réagit par sa HO ou sa BV selon que le dipolarophile est déficitaire
en électrons ou riche en électrons.
* Régiosélectivité : De la même façon que la Diels-Alder, la régiosélectivité est
déterminée par contrôle orbiatalaire, par les atomes des OF réagissant portant les plus
gros coefficients.
* Stéréochimie : La séréochimie quant à elle, est gouvernée par l'approche la moins
encombrée.
Exemple : (le même qu'avant)
dessin d'état de tansition au tableau
* Réaction stéréosélective : (ICO p.242)
Remarque : selon la nomenclature, il s’agit de [4+2], mais usuellement [3+2] en
comptant les atomes…
b) Applications
* Ces réactions sont utiles pour la synthèse des composés hétérocycliques, la formation
de liaison carbone-carbone et l'introduction d'une fontionnalité.
Exemple : cycloaddition nitrone-alcène donnent des isoxazolines et la liaison oxygèneazote peut-être rompue par réduction laissant à la fois une fonction amino et une fonction
hydroxyle.
* Ozonolyse : Clayden Cycloaddition et rétrocycloaddition, obtentiondu molozonide T
=> différentes évolutions possibles (ne pas les détailler). Synthèse d’un monomère de la
fabrication du nylon (Clayden). Exemples ICO
2) Cycles à 4
Comme on en a déjà parler dans le I on peut passer vite et insister sur les applications…
a) Thermique :Clayden p.929 + Carey
* 2+2, thermique, supra-antara (cf règles de WH vues avant)
* peut-être réalisé entre des alcène pour former du cyclobutane
* mais le plus souvent avec des cétènes, car ils sont particulièrement réactif pour les
cycloadditions [2+2] :
exemples
* Approche orbitalaire :
* Régiosélectivité
* Stéréochimie : effet stérique de l'état de transition
pas de règle de l'endo, on obtient l'état de transition le moins encombré.
Transition : Une méthode complémentaire à ces cycloadditon [2+2] thermique est la
cycloaddition photochimique.
b) Photochimique : Clayden p.929 + Carey
* approche supra-supra .
* Les cycloadditon photochimiques les plus largement exploitées mettent en jeu
l'irradiation de diènes dans lesquels les 2 liaisons doubles sont assez proches et
aboutissent à la formation de composés cage polycyclique.
Ces approches n'auraient pas pu être réalisées en supra-antara car trop de tension de
cycle.
Exemple formation de cage.
Conclusion, bilan, click chemistry, autres réactions péricycliques
LO 35 : Conformation
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L1
nomenclature des alcanes, représentations de Cram et Newman,
formule topologique, élimination (TS), théorie VSEPR
Clayden, ICO, HP PCSI, TD PCSI, Micromega TS, BUP 884 (pour les
questions)
* Equilibre dynamique du fait de l'agitation thermique mais décalée la plus probable
(voir %)
* La représentation topologique des alcanes : en met la chaîne carbonne en zig-zag est
justifié ici car c'est la conformation la plus stable des alcanes linéaires.
Transition : Beaucoup de molécules cycliques. Exemple dans TEU. Qu'en est-il des
conformations d'une des molécules cycliques les plus simple possible?
II. Etude du cyclohexane
HP, Clayden, Eliel p.698
1) Différentes conformations
Introduction :
HP intro
Les propriétés des substances, et en particulier leur réactivité, dépendent de
l’arrangement spatial de leurs atomes. Il est donc primordial de s’intéresser aux
représentations des structures dans l’espace. Vous avez déjà aborder la notion de
conformation en terminale.
Définition : conformation : HP p.167. Exemple Clayden p.448
Modèle moléculaire : la conformation de l'éthane change par rotation autour de la liaison
C-C. Il existe différentes conformations mais certaines sont plus stables que d'autres.
Exemple du bonhomme Clayden.
But : on va étudier la conformation de différents alcanes linéaires et cycliques et voir si
effectivement il y a des conformations privilégiées, lesquelles?
* Cycle à 6 plan impossible car ne respecte pas VSEPR. Mais il existe une infinité de
conformations non plane qui respectent les longueurs de liaison et approximativement
les angles de valence. Mais toutes ne sont pas à la même énergie.
* Montrer les difféerentes conformations avec modèle moléculaire.
* Conformations chaise, bateau, enveloppe, croisée. Faire des projections de Newmann
pour voir que les C-H sont eclipsées. Utiliser des modèles moléculaires
* Ep = f(θ)
* A TA, 99% sont en conformation chaise.
I. Etude des alcanes linéaires
* Représentation de la chaise en perspective TEU
* Inversion chaise-chaise Clayden
* Plan moyen du cycle
* Position axiale et équatoriale
1) Conformation de l'éthane
Clayden, HP
* Représentation de Newmann de l'éthane.
* Existence d'une infinité de conformation. Retour modèle moléculaire. Définition de
l'angle dièdre α.
* Evolution de l'énergie en fonction de α.
Remarque : la répulsion stérique de H ne joue que pour 10%, c'est la répulsion des
doublets d'électrons des liaisons C-H qui joue principalement.
*Barrière énergétique faible. La rotation n'est pas libre mais gênée.
Transition : et si on allonge la chaîne carbonnée?
2) Conformation du butane
Clayden, HP
* Les effets stériques sont maintenant importants
* Conformations décalées pas toutes identiques
* Def angle dièdre α. Etude de la liaison 2-3.
* Evolution de l'énergie en fonction de α
Transition : La conformation chaise étant largement majortaire, elle mérite que l'on
s'attarde un peu à son étude.
2) Cas de la conformation chaise
Transition : Le cyclohexane c'est pas marrant, on ajoute des substituants sur les
carbones!
III. Etude du cyclohexane substitué
1) Cas du cyclohexane monosubstitué
* Position équatoriale énergetiquement favorable car moins encombrée. L'écart
énergetique augmente avec l'encombrement du substituant.
* Valeurs écart énergetique, constante d'équilibre et % du conformère équatorial
Clayden
* Interprétation : interaction 1,3-diaxiales déstabilisantes et interaction CH3/C-C
2) Cas du cylcohexane disubstitué
* Cas où substituants 1,1 : le plus gros est en position équatoriale
* Cas où substituants 1,3 : def cis et trans. L'inversion ne modie pas la relation cis et
trans.
3) Conformation bloquée
* Tertio-butyle ancre conformationelle
* Camphre : cycle bloqué en conformation bateau Clayden
* Décaline et stéroïdes
Conclusion :
Les conformations sont importantes. Ici on s'est interessé à la stabilité relative des
conformations d'une même molécule et on a essayé d'expliquer comment rationaliser la
stabilité des différentes conformations.
Les conformations sont importantes pour étudier la réactivite d'une molécule. Certaines
conformations sont réactives et pas d'autre (élimination en trans beaucoup plus que en
cis). Les conformations les plus stables ne sont pas forcément les conformations les plus
réactives.
LO 36 : Les hydrocarbures aromatiques
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L2
UV/RMN/IR, Postulat de Hammond, Effet électronique
inductif/mésomère, formules mésomères, Méthode de Hückel, alcène
Lalande, Hprépa PC, T&D PC, ICO, Vollhardt
Introduction :
Hydrocarbures aromatiques sont des molécules cycliques conjuguées qui possèdent des
propriétés communes comme le fait qu’ils soient odorant, d’où leur nom : aromatique.
Lalande p.167
En 1825, Faraday isole le benzène, représentant le plus simple de la série des composés
aromatiques. HP p.569
Très grande importance des composés aromatiques : Benzène et autres hydrocarbures
aromatiques présents à état naturel. Ex : thymol, benzaldéhyde, ou utilisés dans industrie
ex : Ibuprofène (pharmaceutique), aniline (colorants) , vaniline…HP p.570
Etude de ces composés et de leur réactivité pour comprendre en particulier comment estce qu'on peut synthétiser l'ibuprofène à partir du benzène. Lalande exo 5.4 p.210
3) Propriétés spectoscopiques
- UV : bande caractéristique à 255 nm => intérêt en TP pour CCM TD p.407
- IR : ...
-RMN : fort blindage, explication avec un schéma HP… Nouveau critère d’aromaticité !
TD p.409
Exemple annulène avec H à l'intérieur du cycle => courant de cycle dans l'autre sens,
fort blindage!
4) Réactivité
Forte densité électronique : sites nucléophiles. TD p.410
Stabilité : substitution et pas addition pour ne pas perdre l’énergie de résonance.
* Résistance à l'oxydation. TD Exemples sur transparent : Lalande p.178 : oxydation
des chaînes latérale => acide téréphtalique pour PET.
* Résistance à la réduction. Exemple HP p.571 + Exemple hydrogénation donnant
cyclohéxanol (fabrication des nylons) Lalande p.179
Transition : Ce qui va nous intéresser le plus : substitutions électrophiles favorisées…
SEAr
II. Substitution électrophile aromatique
I. Le caractère aromatique
(15')
1) Structure et stabilité du benzène
Données expérimentales : RX, squelette carboné hexagonal régulier plan + distance C-C
et angles ;
Comment expliquer : => formule de kékulé
Stabilité du Benzène => mesures des enthalpies molaires standards d’hydrogénation :
pas 3x celle d’une C=C => Energie molaire de résonance, stabilité particulière.
Montrer le diagramme d’OM et calcule de l’énergie de résonnance T.
Remarque : Faraday isole le benzène C6H5 => pose bcp de questions car à cette époque
on connaissait seulement le C tétravalent => bcp de structures différentes proposées.
Kékulé s’en rapproche le plus. Preuve en 1928 par RX. T&D p.402
Transition : Cette énergie est un point commun de tous les composés aromatiques. Ce
qui a permis à Hückel d’établir un critère. Lalande
2) Critères d'aromaticité
A l'origine, « aromaticité » due à l'odeur. Mnt cela correspond à un ensemble de
propriétés structurales, spectroscopques et chimiques.
Enoncé. TD p.405 Critère étendu aux cycles aromatiques et accolés. Exemples.
(20')
1) Principe
Bilan général.
Différentes réactions envisageables (schéma sur transparent sans indiquer les réactifs)
Lalande p.180
Contrôle cinétique ou thermodynamique, mais souvent étapes non renversables, donc
contrôle cinétique.
2) Halogénation
Faits expérimentaux. TD p.411 Bilan.
Mécanisme au tableau : 3 étapes
1) formation électrophile
2) SEAr : complexe Pi (présentation sur transparent puis véritable complexe σ (écriture
des formes mésomères) !
3) Ré-aromatisation
Profil réactionnel. ECD : perte de l'aromaticité. TD + Lalande
Transition : ce mécanisme est général et se retrouve dans les autres types de SEAr, ce qui
va changer c'est la formation de l'électrophile.
3) Réactions de Friedel et Craft
a) Alkylation
Bilan => création de liaison CC
Formation de l’électrophile
Attention : étapes renversables ! On est souvent sous contrôle thermodynamique
Lalande p.193
Application : cumène (précurseur industriel du phénol) HP + Lalande
Limites Lalande p.193 Réarrangement ; Polysubstitution (produit plus nucléophile que
le substrat de départ ! car effet inducteur donneur du méthyle qui enrichi le cycle)
Transition : Comment surmonter ces limites?
b) Acylation
Bilan. Formation de l’électrophile. Mécanisme.
AlCl3 pas vraiment catalyseur et nécessité d’une hydrolyse terminale. TD
Etapes non renversables, contrôle cinétique.
Application : Peut être un moyen d’alkylation, en réduisant par la suite la cétone
(Clemmensen, Wolff-Kischner). Exemple de synthèse : tétralone Lalande
Transition : Jusqu'ici étapes cinétiquement déterminante : 2) attaque électrophile, mais ce
n'est pas toujours le cas.
3) Nitration et sulfonation
Nitration.
Bilan. ECD: 1)création de l'électrophile. Mécanisme
Application : synthèse de l'aniline TD p.415
●
● Sulfonation
Bilan. ECD : 3) déprotonnation. Mécanisme de la déprotonation.
Application industrielle. TD+ Lalande
Transition : Bilan, retour sur le transparent du II.1) (schéma du Lalande) ajout des
réactifs sur les flèches/superposition d'un autre transparent avec noms des réactifs. Mais
pb on a vu que pour alkylation on n'avait pas le produit marqué mais polyalkylation
pourtant pour les autres, on arrive bien à avoir le produit mono-substitué. Pourquoi?
Quelle est la différence entre ces produits obtenus? Comment les substituants régissentils la suite de la réactivité du produit?
III. Polysubtitutions électrophiles sur les cycles aromatique(15')
1) Observation expérimentale
Position du problème : nom des différentes positions à partir du toluène
Régiosélectivité : Certaines sont privilégiées par rapport à d'autres : Exemple 2 ICO
p.303.
De plus on observe des différences de vitesses et de réactivités si le noyau benzénique
est substitué par un autre groupement qu'un méthyle HP p.587 groupement activant ou
non.
Transition : Comment peut-on comprendre cela?
2) Effet des substituants
On se place sous contrôle cinétique !!! Donc pas d’alkylation ou sulfonation.
L’ECD (addition) est à ET tardif. D’après le postulat de Hammond, on va raisonner sur
la stabilité de l’intermédiaire de Wheland.
Ecriture des formes mésomères des intermédiaires de Wheland dans le cas de l’anisole
(une au tableau et les autres sur T). On voit que pour o/p plus stable que m. Ce qu’on
constate expérimentalement. Cependant, o et p devraient être à égalité, ce qu’on ne
constate pas expérimentalement. Gênes stériques ! => régiosélectivité et caractère
désactivant ou non.
Ecriture des formes mésomères pour le nitrobenzène (une au tableau et les autres sur T)
et c’est m le - destabilisé.
3) Règles de Holleman
Tableau T&D p.426
Cas de composés polysubstitués
4) Stratégie de synthèse
Synthèse Vollhardt 708
Mais problème de régiosélectivité. Il faudrait protéger la position non voulue et pouvoir
la libérer facilement. => utilisation de SO3
Conclusion :
Bilan. Retour sur la synthèse de l'ibuprofène. Lalande
On n’a pas parlé de SN, car comme on l’a dit cycle riche en électrons. Quelques cas si
substituants attracteurs : ex sur T T&D.
Et si hétérocycle aromatique SN faciles. Exemple : réaction de Chichibabin. Vollhardt
p.1121
LO 37 : Les organomagnésiens mixtes
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L1
Electrophilie/nucléophilie, acide/base de Lewis et de Bronsted,
substitution nucléophile, stéréochimie
Hprépa Tout-en-un PCSI (neuf), T&D PCSI, Clayden, ICO, Fuxa
Introduction :
Les organomagnésiens font partie des dérivés organométalliques dont la structure
comporte une liaison carbone métal. Les organomagnésiens mixtes ont la formule
schématique R-Mg-X où R représente un groupe hydrocarboné et X un halogène.
Ces dérivés ont été découverts par le chimiste français Victor Grignard et sont encore
souvent appelés « réactifs de Grignard ». Les organomagnésiens sont exclusivement des
intermédiaires de synthèse. Ils permettent une très grande variétés de synthèses
intéressantes en particulier la création de liaisons C-C. Mais pour comprendre leur
réactivité, nous allons commencer étudier leur structure et les propriéts qui en découlent.
HP p.234
I. Présentation générale
1) Structure et nomenclature
Structure de Lewis : R-Mg-X où R=alkyle, vinyle, chaîne carbonée, X=halogène.
Attention lacunes sur Mg et doublets sur halogène. Exemple.
Nomenclature, analogie avec les sels : halogénure d'alkyle magnésium. Exemple. TD
p.356
2) Synthèse
Principe : bilan : R-X +Mg(0) --> R-Mg-X
Exemple. HP + ICO p.368
Solvants utilisés : aprotique et anhydre, polaire, base de lewis pour stabiliser
organomagnésien. Schéma de stabilisation.
Montage de synthèse. Explications HP p.235-236
3) Réactivité
Liaison carbone-métal polarisée. χ(Mg), χ(C), mettre charges partielles. Inversion de
polarité : umpolung. Car normalement C δ+.
Propriétés : nucléophile, basique de bronsted, acide de Lewis HP p.240
Transition : comment réagit-il et quel peut être son intérêt en tant que base de Bronsted?
II. Réactivité en tant que base de Bronsted
1) Hydrolyse
Réaction avec l'eau. Bilan et exemple. Milieu acide pour éviter précipité.
Attention : on veut éviter cette réaction lors de la synthèse de l'organomagnésien.
Application : dosage HP
2) Préparalyse des RMgX acétyléniques
Bilan. Pka.
Intérêt : formation d'un nouvel organomagnésien alors que pas possible pas méthode
normale. HP
3) Dosage
Dosage de Zérévitnov. Principe. Bilan. Exemple. TD p.360
On verra ça en TP? Ou dosage Fuxa
Transition : Différentes applications des propriétés basiques des organomagnésiens mais
leurs propriéts les plus intéressantes sont leurs propriétés nucléophiles.
III. Réactivité en tant que nucléophile
1) Substitutions nucléophiles
a) sur les dérivés halogénés
Bilan. Exemple. Mécanisme.
Application : intéressante si elle est voulue, intérêt en catalyse
Mais attention, réaction parasite à la synthèse d'un organomagnésien, c'est pour ça qu'on
ajoute goutte -à-goutte. HP
b) sur les époxydes
Bilan. Exemple. Mécanisme sur époxyde assymétrique.
stéréospécificité. Exemple ICO p.541 Penser à dire + énantiomère
Intérêt: synthèse d'alcools avec gain de 2C. TD p.361
Régiosélectivité,
2) Additions nucléophiles
a) sur les carbonyles
Avec aldéhydes et cétons
Formation d'alcool.
Bilan. Exemple. Mécanisme pour un au tableau. Tableau avec obtention des trois classes
d'alcools.
● Avec dérivés d'acides
Mécanisme sur transparent avec ajout de flèches pour dérivés d'acides
Exemple. Chimiosélectivité, différences de réactivités. Arrêt à la cétone. Introduction des
amides de Weinreb, obtention d'une cétone. Clayden p.300
HP
●
b) sur le dioxyde de carbone
Formation d'acide carboxylique.
Bilan. Exemple. Mécanisme.
Attention cette réaction veut être éviter lors de la synthèse des organomagnésiens, c'est
pour ça qu'on se met sous flux d'azote.
Remarque : on veut aussi éviter réaction avec les dioxygène de l'air. Bilan.
c) sur les nitriles
Bilan. Exemple. Mécanisme sur transparent. HP +TD
Conclusion :
Bilan sur transparent : R-Mg-X au centre avec flèches qui partent vers différents types de
produits.
Ouvertures sur les autres organométalliques ou rétrosynthèse?
3) Réactivité
LO 38 : Les alcynes
Niveau :
Pré-requis :
Biblio :
L3
Notions de spectroscopie IR et RMN, réactivité des alcènes
(dihalogénation, hydroboration, hydratation, hydrogénation), chimie
orga de base (éliminations, éliminations)
Vollhardt, ICO, Weissermel, Arzallier Chimie orga 2 réactivité,
Brückner, Kürti.
Introduction :
Définition alcyne, liaison triple CC, représentation. Distinction alcyne vrais et alcynes
internes (disubstitués). Exemples en donnant leur nomenclature. Vollhardt p 561 Rare
dans la nature, exemple de l'énanthotoxine ICO p262
I. Présentation des alcynes
(15')
1) Structure et propriétés
* Structure
Géométrie VSEPR : AX2, schéma avec angle de 180°.
T : longueur de liaison + énergie de liaison, alcynes => liaisons courtes et solides
Vollhardt p.563 + Arzallier p.177
Représentation des orbitales, recouvrement, 2 liaisons π, 1 liaison σ.
* Electronégativité comparées des carbones tétra, tri ou digonaux. Arzallier p.179
Energie des orbitales π et π* diminuent par rapport à celle des alcènes. Comparer le
diagramme d’OM de l’éthylène et de l’acétylène (π et π* abaissées…)
T : avec diagramme
* Propriétés spectroscopiques
Signaux caractéristiques en :RMN 1H, 13C? et IR (attention alcynes symétriques
invisibles en IR) Volhardt p 566
2) Synthèse
* En industrie : synthèse de l'acétylène. Bilan : procédé à partir du carbure de calcium
Weissermel p.97 + dangers mais intérêt ICO p262
* En labo : préparation par double élimintian, bilan avec exemple Vollhardt p.570
(si le temps : réaction de Corey Fuchs : bilan, mécanisme sur transparent, exemple Kürti
p.104)
* Réactivité de la triple liaison : nucléophilie et électrophilie comparée aux alcènes
Arzallier p.179
* Réactivité propre aux alcynes vrais : différence de pKa Arzallier p.180
+ ICO p.263
Transition : quelle est la réactivité des alcynes par rapport aux alcènes?
II. Réactivité commune aux alcènes
Remarque : bien détailler et souligner ce qui est propre à l'alcyne.
1) Hydrogénation catalytique
T : rappel alcènes sur un exemple ICO p.189
* Pour les alcynes, pb posé est-il possible de s'arrêter à l'alcène sans aller jusqu'à
l'alcane?
Exemple à forte pression => alcane ICO p.269
Solution : utilisation de catalyseur empoisonné : Lindlar : Pd, empoisonné avec
quinoléine et acétate de Pb
Mécanisme avec flèche sur transparent Brückner p.536
Réaction diastéréosélective => obtention d'alcène Z. Exemple : synthèse de la jasmone
Carey p.264
2) Addition électrophile
a) dihalogénation
Bilan-exemple Vollhardt p.577
Mécanisme semblable à celui des alcènes Arzallier p.182, stéréochimie
Possibilité d'une dihalogénation supplémentaire puisqu'il reste une double liaison
Vollhardt
b) hydratation
Bilan avec équilibre céto-énolique. Vollhardt p.577
Mécanisme au tableau : difficile de protonner alcyne au début, utilisation de Hg2+
Exemples sur un alcyne terminal, sur un alcyne interne => pb de régiosélectivité
3) Hydroboration
Bilan. Même mécanisme que pour alcène. Intérêt : traitement des vinyborane à l'eau
oxygénée => hydratation anti-Markovnikov des alcynes ICO p.268 + Vollhardt p.580
Comparaison avec hydratation juste avant : hydratation => cétone, hydroboration =>
aldéhyde.
Transition : Du fait de la triple liaison et de l'acidité du H des alcynes terminaux, il existe
aussi une réactivité spécifique des alcynes.
III. Réactivité spécifique des alcynes
1) Réduction par les métaux dissous
Bilan. Mécanisme au tableau, justification avec pKa. Obtention d'alcènes E. Exemple.
Vollhardt p.574 + ICO p.276
Réactivité spécifique car triple CC plus électrophile que double CC comme vu en I.
Brückner p.542
2) Réactivité des alcynes vrais
Formation d'organométalliques. Exemples de bases.
Préparation et emploi de quelques alcynures. ICO p.277 + Arzallier p.277
=> substitutions et additions nucléophiles
3) Réaction de couplage
(si le temps sinon en conclusion)
Couplage historique : celui de Glaser ICO
Bilan du couplage de Sonogashira. Exemple. Kürti p.424 (avoir le cycle catalytique
sous la main pour les questions)
Conclusion
Bilan, autres réaction métathèse, Diels-Alder. Ouverture application concrète des alcynes
: click-chemistry (addition 1,3-dipolaire)