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X Chimie PC 2008 — Énoncé 1/12
ÉCOLEPOLYTECHNIQUE
ÉCOLESUPÉRIEUREDEPHYSIQUE ETDECHIMIEINDUSTRIELLES
CONCOURSD’ADMISSION2008 FILIÈREPC
COMPOSITIONDECHIMIE
(Durée :4heures)
L’utilisation descalculatricesn’estpasautorisée.
L’épreuve comportedeuxproblèmesindépendants.
⋆ ⋆ ⋆
Premierproblème
Verslasynthèsedecomposéshétérocycliques
Données
Énergiesdeliaisons
E(C-C)=350 kJ·mol−1;E(C=C)=600 kJ·mol−1;E(C-N)=300 kJ·mol−1
E(C=N)=600 kJ·mol−1;E(C-O)=350 kJ·mol−1;E(C=O)=800 kJ·mol−1
E(C-H)=410 kJ·mol−1;E(O-H)=460 kJ·mol−1;E(N-H)=390 kJ·mol−1.
Donnéesdespectroscopieinfrarouge(IR)
(Nombred’ondedesbandesd’absorptionencm−1)
OH NH CHaromatiqueCHaliphatiqueCN
3300-3600 3200-3500 3000-3100 2800-3000 2200-2300
R2N-HC=OR-HC=OR-CO-R’C=C
1730-1750 1720-1740 1700-1720 1600-1650
Leshétérocycles(cyclescomportantaumoinsun hétéroatome(O,Nou S)) sontprésents
dansdenombreusesmoléculesbiologiquementactivesetl’onretrouveparmiellesdenombreux
médicamentsetproduitsphytosanitaires.Lasynthèsede ce typedestructuresafaitl’objet
denombreuxtravauxetl’ontrouvemaintenantdes synthèsesextrêmement rapidesetefficaces
faisantappelàdesintermédiairesun peuexotiquescommelesnitrilesetisonitriles.Nousallons,
dansce sujet,nousintéresseràcesdeuxfamilleshistoriquementliéesetmontrercommentelles
permettentdeformeren peu d’étapesdes structuresd’intérêtpharmacologique.Cesujetne
requiert aucune connaissance préalablequantauxréactivitésde cestypesde composésmaisde
nombreusesanalogiesavec lesdérivéscarbonylés serontpossibles.
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X Chimie PC 2008 — Énoncé 2/12
A.Lesnitriles
Lesnitriles sontdescomposésorganiquescomportantlegroupe cyano ou nitrile(CN)liéà
une chaîne carbonée.Cesfonctionsorganiquespermettentd’envisagerdesréactionsextrêmement
variéesàpartirde composésrelativementstablespuisque certainsd’entre euxsontmêmeutilisés
commesolvant (l’acétonitrileouéthanenitrile1,CH3CN,parexemple).
1.Structure,propriétés
a)ProposerunestructuredeLewispourl’ioncyanureCN−.Àquellemolécule est-il isoélec-
tronique?
b)Comparerlaréactiviténucléophiledu site carboné etdu siteazotédansl’ionCN−.
c)ProposerunestructuredeLewispourl’acétonitrile1deformuleCH3CN.
d)Lesite carboné estlesited’attaquepréférentielled’un réactifnucléophile etlesiteazoté
lesited’attaquepréférentielled’un réactifélectrophile.Justifierce comportement.
2.Synthèse
Unevoiedesynthèse classiquedesnitrilesconsisteàpartirdedérivéscarbonylés.Lorsquela
méthylvinylcétone(but-3-èn-2-one)3est traitée pardel’acide cyanhydrique(cyanured’hydro-
gène)danslediméthylformamide(DMF)àbassetempérature(5 à 10◦C), lacyanhydrine4aest
obtenueavec un bonrendement.
OHCN
5-10°C
CN
HO
34a
DMF
Le composé4aprésente3bandesd’absorptioncaractéristiqueseninfrarouge(IR):
–unebandelargeà 3600 cm−1
–unebandeà 2250 cm−1
–unebandeà 1650 cm−1.
a)Attribuerlesdifférentesbandesd’absorptionobservéesenIR.
Lorsquelaréactionesteffectuée à80◦C, il seformeun nouveau produit4bdeformulebrute
C5H7NO.Celui-ciprésente enIRdeuxbandesd’absorptioncaractéristiques:
–unebandeà 2250 cm−1
–unebandeà 1715 cm−1.
b)Quelestleproduit4bforméaucoursde cetteréaction?
c)Cemêmeproduit4bestégalementobtenu entraitantle composé4apardel’acide
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X Chimie PC 2008 — Énoncé 3/12
cyanhydriquedansleDMFà80◦C;proposerun mécanismepourpasserde4aà4b.Onadmettra
que,danslesconditionsopératoires, il s’établitun équilibre entreHCNetsabase conjuguée.
d)Envousaidantdesvaleursdesénergiesdeliaison,justifierl’obtention du seulcomposé
4bàhautetempérature(80◦C).
3.Réactionsd’addition
Laréaction d’addition du méthyllithiumsurlebenzonitrile5est réalisée dansl’étherdié-
thylique(ouéthoxyéthane),à0◦C.Après3heuresd’agitationàcettetempérature,del’acide
sulfuriquedilué estajoutégoutteà gouttepuislemélangeréactionnelestchauffélégèrement
pendant3heures.L’acétophénone7estisolée avec 70%derendement.
CN
+MeLi Et2O
5
6
7
H2SO4, H2OCH3
O
0°C, 3h 3h, 40°C
70%
CH3
H2NOH
aminal
a)Proposerunestructurepourl’intermédiaireréactionnel6forméaprèsaddition del’orga-
nolithiensurlebenzonitrile5.
b)L’acétophénone7n’estobtenuequ’aprèshydrolyseacidedu milieuréactionnel. Aucours
del’hydrolyse,seformeun intermédiaireaminal(ouaminocétal)dontlastructure estprésentée
ci-dessus.Proposerun mécanismepourexpliquerl’obtention du composé7àpartirdel’inter-
médiaire6danscesconditions.
4.Réaction deRitter
Laréaction deRitterpermetdetransformerun alcoolenamide.Pourcela, l’alcoolest traité
parun nitrile enmilieuacidefort.Ainsi, parexemple, l’alcool8misensolution dansl’acétonitrile
1en présence d’unesolutionaqueused’acidesulfurique concentré conduit,aprèsquelquesheures
à70◦C,àl’amide9avec un excellent rendement.
N
Ph OH
Ph
CH3CN
+
H2SO4 conc.
70°C N
Ph H
N
Ph
O
CH3
89
95%
1
a)Proposerun mécanismeréactionnelpourcettetransformationsachantquelorsquel’alcool
8estchauffé en présence d’acidesulfurique,un intermédiaireréactionnelchargé estformé.
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X Chimie PC 2008 — Énoncé 4/12
b)Applicationàlasynthèsed’un composébiologiquementactif.
En2000,aétépubliée unesynthèserapide etefficace delapipéridine10,antagonistenon
peptidiquedesrécepteursNK1(cesantagonistes sontnotammentutiliséscommeanxiolytiques).
HN
HN
H
MeO
HN
O
COOMe
H
10 11
Précurseurde10, lamolécule11 peutêtreobtenueàpartirde12.Pourcela, le composé
12 estmisensolution dansle carbonatedediméthyle(CO(OMe)2)et traitéparunebase,
l’hydruredesodium(NaH)pourformerleβ-cétoester13.Cedernierestensuitetraitépar
unequantité catalytiquedetert-butanolatedepotassiumdansletert-butanolen présence d’un
légerexcèsd’acrylonitrile(CH2=CH-CN)pourconduireau dérivé14.Celui-ciest réduitchimio-
sélectivementpourconduireàl’alcool15.Cedernier,misensolution dansun mélange1/1
chlorobenzène/acideméthanesulfonique(MeSO3H),conduitau précurseur11 attendu.
O
NaH
MeO OMe
O
reflux
83% O
COOMe
O
COOMe
CN
t-BuOK cat.
t-BuOH
93%
CN
OH
COOMe
CN
98%
HN
O
COOMe
H
MeSO3H
Cl
70°C
71%
12 13 14
15
11
OH
t-BuOH :
56
b.1Proposerun mécanismepourlapremière étape(12 →13).
b.2Aucoursdel’étapedeformation de14,montrerqueseuleunequantité catalytiquede
tert-butanolatedepotassiumestnécessaire.
On donnedansleDMSOlepKa=29 du couplet-BuOH/t-BuO−etlespKades
couplesmodèles suivants:CH3COCH2COOMe/[CH3COCHCOOMe]−pKa=14,CH3CH2CN
/[CH3CHCN]−pKa=32.Onadmettraque cesvaleursfournissentun ordredegrandeurdes
pKade composésanaloguesdanslet-BuOH.
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X Chimie PC 2008 — Énoncé 5/12
b.3Laréductionchimio-sélectivedelacétone14 pourobtenirl’alcool15 estassurée par
NaBH4dansleméthanol. Proposerun mécanismeréactionnelsimplifiépourcetteréaction.
b.4Aucoursdeladernière étape,seulslesisomères(5R,6R)et (5S,6S)sontobtenus.
Commentexpliquerque,quellequesoitlaconfiguration du carboneportantinitialementla
fonctionalcool, seulscesdeuxisomères sontobtenusenfin deréaction?
B.Lesisonitriles
Lesisonitriles sontdescomposésorganiquesquipossèdentun carbonedivalent.Ce carbone
présenteàlafoisun doubletetunelacune électroniques,commereprésenté ci-dessous.Cette
descriptionreflètele caractèreambivalentde cette espèce quipeut réagirsoitcomme électrophile
soitcommenucléophile.
1.Structure etréactivité
a)Enécrivantlesformesmésomèresdu méthyl isonitrile16,prévoirlapolaritédelaliaison
C=N.
C N CH3
méthyl isonitrile
16
b)Lesite carboné estàlafoislesited’attaquepréférentielled’un réactifnucléophile etd’un
réactifélectrophile.Justifierce comportement.
2.Hydrolyseacide
Lesisonitriles sontdescomposésparticulièrementinstablesenmilieuacide.Ainsi, lebenzyl-
isonitrile17,misensolution dansun mélange eau:éthanol1/1 en présence d’unetrace d’acide
chlorhydrique,réagitpourdonnerleN-benzylformamide18 correspondant.
N=C H+ (traces)
H2O : EtOH 1/1
N
HH
O
17 18
a)Écrirel’équilibredeprotonation del’isonitrile17,enexplicitantlesdeuxformesmésomères
delaformeprotonée.
b)Proposerun mécanismepourlaréaction d’hydrolyse en prenantsoin demontrerlerôle
catalytiquedel’acide.
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