Comparaison avec la réactivité des alcools tertiaires

Le travail théorique que nous venons de décrire met en évidence le mécanisme d’une transestérification catalysée par la DMAP. Les résultats que nous avons obtenus contrastent fortement avec les conclusions de Zipse (cf introduction) qui avait aussi décrit une réaction de transestérification catalysée par la DMAP. Ce dernier met en avant un mode d’activation nucléophile dans le cas de l’acétylation d’un alcool tertiaire avec l’anhydride acétique. Pour mieux comprendre les différences qui existent entre notre travail et celui de cet auteur, nous avons repris les géométries données dons son travail théorique[13]. Nous avons commencé par étudier l’influence de la classe de l’alcool pour son mécanisme de réaction. C’est un des

aspects qui pourrait expliquer les différences observées entre nos deux travaux théoriques. Puis nous avons examiné l’influence de la nature du substrat (cyclique/acyclique) et la différence de réactivité qu’apporte le motif OCA vis-à-vis du motif anhydride.

Dans le travail de Zipse, les étapes clefs du mécanisme basique et/ou nucléophile ont été réoptimisées en remplaçant le tert-butanol par du méthanol. Avec l’anhydride acétique, l’intermédiaire acylpyridinium optimisé avec les deux alcools est plus stable de 4 kcal.mol-1 par rapport aux réactifs séparés. Les états de transition de leur formation, pyr-TStbuoh et

pyr-TSmeoh sont très accessibles énergétiquement (3 kcal.mol-1 plus haut que les pyridiniums correspondants pour chacun des alcools) (figure 1.50). Comme on pouvait l’envisager pour ces structures, l’influence de la classe de l’alcool est négligeable.

N N O O O H O N N O O O H O pyr-TSmeOH pyr-TStbuOH

Figure 1.50 Etats de transistion correspondant à l’attaque de la DMAP sur l’anhydride avec le méthanol (pyr-TSmeOH) ou avec le tert-butanol (pyr-TStbuOH)

Dans le le travail de Zipse, l’étape limitante du mécanisme est le transfert d’acyl sur le tert-butanol (figure 1.51). Nous avons donc optimisé les états de transition nuc-TStbuoh et

nuc-TSmeoh associés à la réaction de l’alcool sur l’intermédiaire acétylpyridinium (figure

1.51). Acylpyridinium nuc-TStbuoh -5 réactifs séparés 0 +5 Réactifs pyr-TStbuOH pyr-TStmeOH Produits nuc-TStmeoh

Figure 1.51 Profil mécanistique du mécanisme nucléophile. pyr-TS correspond à la formation de l’acétylpyridinium et nuc-TS à l’attaque de l’alcool sur cet acétylpyridinium.

Nous avons ensuite comparé les états de transition du mécanisme nucléophile aux états de transition du mécanisme basique. Nous avons pour cela optimisé bas-TStbuoh et bas-

TSmeoh qui correspondent à la réaction d’addition sur l’acétique anhydride du tert-butanol

ou du méthanol dans le mécanisme d’activation basique (figure 1.52).

O O O H O bas-TSmeoh N N O O O H O N N bas-TStstbuoh

Figure 1.52 Etats de transistion correspondant à l’attaque de l’alcool sur l’anhydride catalysée par la DMAP ( avec le méthanol (bas-TsmeOH) ou avec le tert-butanol (bas-TstbuOH)

En accord avec Zipse, l’état de transition bas-TStbuoh se situe à 8,6 kcal.mol-1 plus haut en énergie que nuc-TStbuoh montrant ainsi que le mécanisme basique avec les alcools tertiaires est difficilement compétitif (tableau 1.5 première ligne). Le mécanisme nucléophile est toujours favorable avec le méthanol mais la différence d’énergie entre les deux états de transition n’est plus que de 2,1 kcal.mol-1 (calculée entre pyr-TSmeoh et bas-TSmeoh). Ce dernier résultat nous suggère qu’une compétition entre les deux mécanismes apparait dans le cas des alcools primaires.

Acylpyridinium[a] MeOH

nuc-TSmeoh

(nuc-TStbuoh) bas-TSmeoh [b] bas-TStbuoh [b]

O O O -4 -0,9 (+ 3) +2 +11,6 O O O O -7 -0,7 (+ 2,8) +2,4 +9,4

Quand toutes les géométries sont recalculées en utilisant un motif OCA linéaire à la place de l’anhydride acétique, nous arrivons aux mêmes conclusions. A partir des états de transition limitants, nous trouvons une différence d’énergie entre les 2 mécanismes qui est de 6,6 kcal.mol-1 avec le tert-butanol (tableau 1.5 deuxième ligne). Cette différence s’amenuise à 3,1 kcal.mol-1 dans le cas du méthanol. En comparant ces résultats à ceux obtenus dans le cas de

Tableau 1.5 Optimisations effectuées avec B3LYP/6-31G(d). [a] Valeurs obtenues pour le méthanol, des valeurs similaires sont obtenues avec l’alcool tertiaire. [b] Premier état de transition sur le mécanisme basique multiétapes.

l’anhydride acétique, nous pouvons dire que le motif OCA n’a pas d’influence sur la compétition entre les deux mécanismes.

L’influence de la nature cyclique du substrat a ensuite été étudiée de la même façon. Nous avons pris l’anhydride méthyl-succinique comme modèle d’anhydride cyclique afin de le comparer au substrat utilisé par Zipse (tableau 1.6). L’intermédiaire acylpyridinium correspondant à l’anhydride cyclique se situe à 5 kcal.mol-1 au dessus des réactifs séparés. Ce résultat est comparable à ce que nous avons obtenu pour le L-lacOCA. Les énergies de ces deux intermédiaires montrent clairement que la nature cyclique du substrat est un facteur qui déstabilise l’acylpyridinium de la voie nucléophile. Dans ce cas précis, la catalyse basique pourrait être le mécanisme le plus compétitif, en particulier avec les alcools primaires. Nous trouvons en effet que l’état de transition des réactifs cycliques bas-TSmeoh qui correspond au mécanisme basique avec le méthanol se situe au moins à 3 kcal.mol-1 sous les intermédiaires acylpyridiniums. Avec un alcool tertiaire, ces états de transition redeviennent plus hauts en énergie que les intermédiaires de la voie nucléophile.

Nous pouvons donc conclure en disant que la nature cyclique du substrat favorise la voie basique. Le faible encombrement des alcools est le deuxième facteur qui influence le mécanisme d’activation de l’alcool. Pour la ROP du lactide et du lacOCA, ces deux facteurs sont cumulés alors que dans le travail de Zipse, la réaction modèle met en jeu un alcool tertiaire et un substrat acyclique. Au niveau théorique, la transestérification met en compétition deux mécanismes qui sont influencés par la nature du substrat et la classe de l’alcool utilisé.

Acylpyridinium[a]

MeOH bas-TSmeoh [b] bas-TStbuoh [b]

O O O O +2,8 -3,2 +4,6 O O O +4,9 +1,9 +10,2 O O O -4 +2 11,6

Tableau 1.6 Optimisations effectuées avec B3LYP/6-31G(d). [a] Premier intermédiaire sur le mécanisme nucléophile. Des valeurs très similaires sont obtenues avec l’alcool tertiaire.