4.4 Résultats et discussion
5.2.2 Etude de la réaction domino R-CD-1,3 des isoxazolidines bicyclique
Les réactions domino R-CD-1,3 des isoxazolidines bi-cyclique sont des transformations thermiques passant par deux réactions élémentaires successives. La première transformation est la réaction de R-CD-1,3 des isoxazolidines bi-cycliques produisant des nitrones cycliques
pour donner des isoxazolidines tricycliques [6,6,5] et [6,5,5].
Figure 5.7 Réaction domino R-CD-1,3 des isoxazolidines bi-cycliques pour la synthèse des isoxazolidines tricycliques
Les isoxazolidines tricycliques isoxa-[6.6.5] et isoxa-[6.5.5] sont deux isomères structuraux résultants de deux modes régioisomèriques de cycloaddition entre la nitrone et l'éthylène substitué (R=H, CN) porté par la chaine carbonique de la nitrone. La 1,3-DC intramoléculaire de la nitrone peut s'eectuer par deux modes de cyclisation possible à savoir, le mode ortho, conduisant à la formation de l'isoxazolidine [6,6,5] et le mode méta aboutissant à la formation de l'isoxazolidine [6,5,5]. Des études antérieures ont montré que seules les approches exo sont possibles à cause des restrictions géométriques imposées par la chaine carbonique le long des modes endo. Par conséquent, deux états de transition conduisant à la formation des deux
isoxazolidines tricycliques isoxa-[6,6,5] et isoxa-[6,5,5]. 5.2.2.1 Propriétés thermodynamiques
Les valeurs des propriétés thermodynamiques pour les réactions de domino R-CD-1,3 des isoxazolidines bi-cycliques pour la synthèse des isoxazolidines tricycliques (R = H, CN) sont regroupées au Tableau5.2 et Tableau 5.3, respectivement.
Table 5.2 Propriétés thermodynamiques totales et relatives de la réaction domino R-CD- 1,3 des isoxazolidines bi-cyclique non-substitué.
H ∆H S ∆S G ∆G isoxa-H -830,196791 182,4 -830,328519 ET-nit-H -830,127140 43,7 182,1 -0,3 -830,258673 43,8 nit-H + styrène -830,162143 21,7 230,5 48,1 -830,328616 -0,1 nit-H -520,759888 139,0 -520,860232 styrène -309,402255 91,6 -309,468384 ET-H[6,6,5] -520,727775 41,9 122,2 31,4 -520,816005 20,2 ET-H[6,5,5] -520,732893 38,7 123,6 32,8 -520,822166 16,9 isoxa-H[6,6,5] -520,804146 -6,0 117,9 27,1 -520,889267 -18,3 isoxa-H [6,5,5] -520,797662 -2,0 120,5 29,7 -520,884664 -15,4
Les enthalpies d'activation des états de transitions associés aux réactions de R-CD-1,3 de l'isoxa-H et l'isoxa-CN donnent les nitrones cycliques nit-H et nit-CN sont 43,7 et 42,4 kcal/mol, respectivement. Les enthalpies d'activation élevées indiquent que ces réactions sont défavorables et nécessitent des conditions thermiques extrêmes. L'addition de la contribution entropique aux enthalpies augmente l'énergie d'activation libre de l'état de transition ETnit-H à 43,8 kcal/mol, et diminue l'énergie d'activation libre ETnit-CN à 39,3 kcal/mol. Ces changements faibles sont attribuée à l'entropie d'activation favorable de ces R-CD-1,3 (∆S=-0,3 et 6,8 cal/molK, respectivement).
Table 5.3 Propriétés thermodynamiques totales et relatives de la réaction domino R-CD- 1,3 des isoxazolidines bi-cycliques substitué par CN.
H ∆H S ∆S G ∆G isoxa-CN -922,423021 187,1 -922,558144 ET-nit-CN -922,355518 42,4 193,9 6,8 -922,495572 39,3 nit-CN+ styrène -922,390528 20,4 243,7 56,6 -922,566464 -5,2 nit-CN -612,988273 152,1 -613,098080 styrène -309,402255 91,6 -309,468384 ET-CN[6,6,5] -612,963505 35,9 133 37,5 -613,059556 24,2 ET-CN[6,5,5] -612,962645 36,5 136,5 41,0 -613,061183 23,2 isoxa-CN[6,6,5] -613,026326 -3,5 129,2 33,7 -613,119641 -18,8 isoxa-CN[6,5,5] -613,016069 2,9 129,5 34,0 -613,109576 -12,4
Les nitrones nit-H et nit-CN vont se réagir avec lui-même par une réaction cd 1,3-DC intramoléculaire pour donner deux régioisomères possibles, à savoir, l'isoxazolidines tricycliques [6.6.5] et [6.6.5] correspondants.
Pour la nitrone nit-H, l'enthalpie d'activation associée à la formation des isoxazolidines tricyclique isoxa-H[6.6.5] et isoxa-H [6.5.5] sont 20,2 et 16,9 kcal/mole, respectivement. En plus, l'enthalpie d'activation d'ET-H [6.5.5] est supérieure à celle du TS1 par 4.3 kcal/mol à cause de la déformation imposée par la chaine carbonique porteuse de l'alcène. En outre, l'énergie d'activation libre de ET-H[6.5.5] est inférieure à celle de l'ET-H [6.6.5] par 3,9 kcal/mole. Par conséquent, cette réaction conduite à la formation de l'isoxazolidine tricycliques isoxa-H [6,5,5] comme produit unique (régiosélectivité complète).
La Formation des isoxazolidines tricycliques isoxa-H[6,6,5] et isoxa-H [6,5,5] exother- mique par 18,8 et 12,4 kcal/mol, respectivement. Ces résultats indiquent que l'isoxazolidine isoxa-H [6.5.5] est favorisé cinétiquement, par contre, l'isoxazolidine isoxa-H[6.6.5]
souhaité est favorisé thermodynamiquement.
L'énergie libre élevée de la R-CD-1,3 de l'isoxa-H [6.5.5] est 39,3 kcal/mole. Cette valeur élevée rend cette réaction irréversible. Ces résultats sont en accord avec les résultats expérimentaux. Il est intéressant de noter que la cycloaddition de la nit-H est enthalpique- ment défavorable plus que la réaction de CD-1,3 entre la nitrone 1 et l'éthylène 2 par 4,3 kcal/mole en raison de la déformation imposée par la chaine alkylique.
Pour la nitrone cyclique nit-CN, les enthalpies d'activation des états de transition aboutissant à la formation des isoxazolidines tricycliques (isoxa-CN[6.6.5] et isoxa- CN[6.5.5]), sont 24,2 et 23,2 kcal/mole, respectivement. L'enthalpie d'activation est de l'état de transition ET-CN[6.6.5] est supérieure à celle de l'ET-mx par 7,9 kcal/mol. Cette diérence est due à la déformation induite par la chaine alkylique. La formation des isoxazolidines tricycliques isoxa-CN[6.6.5] et isoxa-CN[6.5.5] est exothermique par 18,8 et 12,4 kcal/mol, respectivement. Ces résultats indiquent que la formation de l'isoxazolidine tricyclique isoxa-CN[6.5.5] est favorisé cinétiquement, tandis que l'isoxazolidine tricyclique isoxa-CN[6.6.5] est favorisé thermodynamiquement.
On peut remarquer aussi que l'énergie d'activation de la R-CD-1,3 de l'isoxa-CN[6.5.5] est inférieure par 8,9 kcal/mol à celle de l'isoxa-H [6.5.5]. Par conséquent, à tempéra- ture de la réaction, la formation de l'isoxa-CN[6.5.5] peut être réversible pour donner l'isoxa-CN[6,6,5] en quantité majoritaire. Ces résultats sont en accord avec les données expérimentales.
5.2.2.2 Géométrie des états de transition
La géométrie des états de transitions des réactions domino R-CD-1,3 des isoxazolidines bicycliques 4a et 4b sont données dans la Figure 5.8.
longueurs des liaisons rompues O3-C5'et C1-C4' sont 2,152 et 2,045 Å à l'état de transition ETnit-H et 2,136 et 2.057 Å à l'état de transition ETnit-CN. Ces résultats indiquent que la rupture des liaisons s'eectue par mécanisme synchrone. Ainsi, la présence du groupe CN n'a aucune in uence sur la nature du mécanisme de la première étape de ces réactions domino R-CD-1,3.
Pour la 1,3-DC intramoléculaire de la nitrone nit-H, les longueurs des nouvelles liaisons formées à l'état de transition O3-C5 et C1-C4 sont 2,118 et 2,137 Å à l'état de transition ET-H[6.6.5], et 2,163 et 2,019 Å à l'état de transition ET-H [6.5.5]. Tandis que pour l'étape de CD-1,3 de la nitrone nit-CN, les longueurs des nouvelles liaisons formées O3-C4 et C1-C5 sont 1,806 et 2,414 Å à l'état de transition ET-CN[6.6.5] et 2,104 et 2,045 Å à l'état de transition ET-CN[6.5.5]. A partir de ces résultats, on induit que l'inclusion du groupement CN rend la cycloaddition plus asynchrone.
5.2.2.3 Transfert de charge
Le transfert de charge aux états de transition a été calculé au moyen de l'analyse APN. Dans le cas d'une réaction intramoléculaire, ceci est possible par la division de la molécule en deux fragments pour la création de deux molécules réactants, à savoir, la nitrone et l'éthylène. Par conséquent, on rompus la liaison C1'-C2' de la chaine alkylique. Les valeurs du TC sont 0.01e, 0.04e, 0.08e et 0.12e aux états de transition ET-H[6.6.5], ET-H [6.5.5], ET- CN[6.5.5] et ET-CN[6.6.5]. Le signe positif du TC indique que le ux du TC a été eectué à partir du fragment nitrone vers le fragment alcène. Ces valeurs indiquent qu'à l'exception de l'état de transition ET-CN[6,6,5], toutes ces réactions de 1,3-DC se procèdent via un mécanisme polaire.