Molécules et matériaux organiques

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Molécules et matériaux organiques TD – Création de liaisons simples CC

Vérification du cours

1. Carbanions stabilisés

1. Identifier les atomes d’hydrogène acides (pKa < 25) dans les molécules suivantes :

A B C

D E F 2. Donner le(s) produit(s) des transformations suivantes (C a pour formule brute C 6 H 8 O)

H O

HO

A

H

C

O

H + ^H

^C

O

H

B + B'

O

O HO

C HO

a)

b)

c)

3. Indiquer comment obtenir les composés suivants par une séquence aldolisation/crotonisation.

O ^O

O

A B C

2. Synthèse magnésienne

Proposer un mécanisme pour la réaction suivante :

après hydrolyse

OH C ₂ H ₅

BrMg MgBr

+ C ₂ H ₅ C

O

OC ₂ H ₅

-2- 3. Synthèse de Michaël

Le composé 4 est obtenu à partir des composés 1 et 2 représentés ci-dessous.

H H

H O

CH ₃

O

O a

b

c d

1 2

e f

g h

+ O

O

4

1. Nommer les composés 1 et 2.

2. Le composé 2 est en équilibre avec sa forme énolique 2bis. Ecrire la structure topologique de 2bis.

3. Combien de signaux devrait présenter le spectre RMN ¹ H du composé 2 ?

4. Les données RMN relatives aux spectres des composés 1 et 2 sont regroupées dans les tableaux ci-dessous.

a. Quel spectre est associé au composé 1 ? Attribuer les signaux.

b. Quelle forme, 2 ou 2bis, représente majoritairement « 2 » ? Est-ce généralement le cas ? Discuter des raisons de la remarquable stabilité de la forme 2bis.

c. Attribuer les signaux de l’autre spectre.

Spectre A :

δ en ppm Multiplicité J en Hz Intégration 6,34 doublet de doublet ³ J = 17,7

3 J = 10,0 1 H

6,20 doublet de doublet ³ J= 17,7

2 J = 1,5 1 H

5,92 doublet de doublet

3 J= 10,0

2 J = 1,5 1 H

2,29 singulet 3 H

Spectre B :

δ en ppm Multiplicité Intégration du signal

11,50 singulet élargi 1 H

2,35 singulet 4 H

1,47 singulet 3 H

On fait réagir les composés 1 et 2 en milieu faiblement basique.

O

CH 3

O

2 O 1

+ 1) base 3 base

chauffage

4 2) neutralisation

O

O

5. Combien de sites électrophiles possède le composé 1. Justifier votre réponse par l’écriture de formules mésomères.

6. L’expression et l’énergie des orbitales frontalières du composé 1 sont données dans le tableau ci-après (ϕ i

représente l’OA 2p centrée sur l’atome i).

Expression des OM Energie ^O

1 2

3 4 5

ψ 3 = − 0,58ϕ 3 − 0,58ϕ 4 + 0,58ϕ 5 - 13,8 eV ψ 4 = 0,16ϕ 1 − 0,55ϕ 2 − 0,27ϕ 3 + 0,67ϕ 4 + 0,39ϕ 5 - 10,2 eV

On suppose que la réaction de l’anion issu de 2 sur le composé 1 est régie par un contrôle frontalier. Indiquer sur quel atome de 1 s’opère l’addition. Ecrire la formule topologique de l’anion obtenu lors de l’addition de l’anion issu de 2 sur le composé 1.

7. Le milieu réactionnel est ensuite neutralisé de façon à former la tricétone 3. Ecrire la formule topologique du composé 3.

8. Le composé 3 est ensuite traité en milieu basique à chaud permettant la formation du composé bicyclique

4. Donner le mécanisme réactionnel de formation de 4.

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Exercices d’entraînement

4. Action d’un organomagnésien sur un carbonate

Sachant que 3 moles de bromure d’éthylmagnésium réagissent sur une mole de carbonate de diméthyle, indiquer le produit obtenu après hydrolyse acide. Justifier votre réponse en écrivant le mécanisme réactionnel.

carbonate de diméthyle

5. Action d’un organomagnésien sur une α -énone

La cyclohex-2-ènone réagit avec du bromure de méthylmagnésium à -30°C pendant 90 min puis le milieu réactionnel est traité par de l’iodométhane à -30°C pendant 3 heures. Après traitement et purification on obtient de la 2,3-diméthylcyclohexanone. Expliquer.

6. Alkylation

On étudie la séquence des deux transformations suivantes, entièrement réalisée dans le THF :

1. Justifier le choix du THF comme solvant pour cette séquence.

2. Justifier le fait que l’atome d’hydrogène préférentiellement arraché est celui situé entre les deux groupes cétone.

3. Combien de sites nucléophiles possède la base conjuguée de A ? Lequel a été utilisé lors de cette réaction ? Quel autre produit risque-t-on de trouver dans le milieu ?

4. Expliquer la formation de C ?

5. L’hydrolyse de C par l’acide sulfurique à 10% dans un mélange eau-méthanol permet d’obtenir un composé D. Proposer un mécanisme pour cette transformation.

6. Quel est l’intérêt d’avoir transformé le composé A en composé B ? CH ₃ O OCH ₃

O

O O

1)LDA (1eq)

2) _O

BF

O O

1)LDA (1eq) 2)

Cl Cl 3)LDA (1eq)

O O

A B

C

O O

D

-4- 7. Synthèse du terpinéol

Le terpinéol est une molécule naturelle extraite de l’essence naturelle de pin. Il est utilisé dans l’industrie de la parfumerie pour son agréable odeur de lilas.

On s’intéresse à la fin de la synthèse historique du terpinéol (Perkin 1904) à partir de G.

G est traité par un excès d’iodure de méthylmagnésium dans l’éther anhydre. On observe un dégagement gazeux lors d’une réaction parasite de celle, principale, que l’on souhaite effectuer. Lorsque la réaction principale est terminée, on acidifie prudemment par une solution aqueuse diluée de sulfate d’ammonium.

On isole après extraction un composé H, dont le spectre infrarouge montre principalement une bande large vers 3300 cm ^-1 et une bande intense autour de 1720 cm ^-1 .

1. Donner la structure du composé H. Interpréter les données du spectre infrarouge.

Le traitement de H par HBr concentré conduit à I ; I est ensuite chauffé à reflux dans la potasse alcoolique concentrée. Il se forme de manière majoritaire un composé J qui donne K après acidification du milieu réactionnel. Le spectre infrarouge de J ne montre aucune bande au voisinage de 3300 cm ^-1 , alors que celui de K, dont la formule brute est C 8 H 12 O 2 , en présente une très large.

2. Donner la structure de I. Quelle est la nature de la réaction H → I ?

3. Donner la structure de J et celle de J’, isomère de J très minoritaire. Pourquoi J’ est-il minoritaire devant J ? Donner également la structure de K.

4. Une tentative pour fabriquer K à partir de H par déshydratation par chauffage en milieu acide concentré, se solde par un échec : il se forme, à côté du produit attendu K, une grande quantité d’un produit K’ bicyclique, isomère de K. Quelle est la formule développée de K’ ?

5. L’action de l’éthanol en présence de traces d’acide fort sur le composé K donne L. Le spectre infrarouge de L présente, entre autres, une bande assez faible vers 1680 cm ^-1 , et une autre, plus intense, vers 1750 cm ^-1 . Quelle est la formule de L ? Justifier les données du spectre infrarouge de L.

6. Enfin, le traitement de L par l’iodure de méthylmagnésium dans l’éther anhydre, suivi d’une hydrolyse en milieu faiblement acide, donne le terpinéol représenté ci-contre.

a. Donner un schéma mécanistique simple de la réaction L → terpinéol.

b. Pourquoi doit-on absolument éviter d’effectuer l’hydrolyse en milieu trop acide ? c. Le terpinéol ainsi synthétisé présente-t-il une activité optique ? Justifier.

8. Etude de protocole : action d’un organomagnésien sur un époxyde

Dans un ballon équipé d’un agitateur mécanique, d’une ampoule de coulée isobare et d’un thermomètre, sont ajoutés 1,6 mol de chlorure d’allylmagnésium (C 3 H 5 MgCl) et 880 mL de THF. La solution est refroidie à - 20°C.

Une solution d’un époxyalcool, le glycidol (C 3 H 6 O 2 ) (533 mmol dissous dans 800 mL de THF) est ajoutée goutte à goutte en maintenant la température à - 20°C. Le mélange est agité pendant 1h à - 20°C, puis traité par une solution aqueuse saturée de chlorure d’ammonium (NH 4 Cl). La phase organique est lavée à l’eau salée, puis séchée sur sulfate de sodium (Na 2 SO 4 ) anhydre. Le solvant est évaporé sous vide et le résidu obtenu est purifié par chromatographie sur colonne pour donner l’hex-5-èn-1,2-diol sous forme d’une huile. Le rendement a été évalué à 93%.

1. A partir d’une analyse rétrosynthétique, identifier la structure des réactifs.

2. Ecrire le mécanisme de la formation du diol.

3. Quel est le rôle du traitement par la solution de chlorure d’ammonium ? Pourquoi ne pas utiliser un acide plus fort ?

4. Décrire l’opération de séchage par Na 2 SO 4 .

O CO ₂ H

G

-5- 9. Utilisation d’un éther silylé

La synthèse étudiée débute à partir de la 3,4-diméthylcyclohex-2-èn-1-one. Traitée par le bromure de méthylmagnésium en présence de sel de cuivre (I), puis par le méthanal, elle conduit après hydrolyse à un β-céto-alcool A.

1. Donner la formule topologique de la 3,4-diméthylcyclohex-2-èn-1-one, ainsi que celle de A.

2. Proposer un mécanisme pour cette réaction.

La fonction alcool est transformée en éther silylé et la fonction cétone est transformée en alcène exocyclique (un seul des atomes de carbone de la double liaison appartient au cycle).

Pour cela, le céto-alcool A est traité par le chlorure de triméthylsilyle (CH 3 ) 3 SiCl en présence de pyridine pour conduire à un éther silylé B.

3. En raisonnant par analogie avec son équivalent carboné, proposer un mécanisme pour la réaction d’un alcool sur le chlorure de triméthylsilyle et indiquer la structure de B. Préciser le rôle de la pyridine.

4. B est traité par un dérivé organométallique M (préparé à partir d’une solution de iodométhane dans l’éther et de magnésium) pour donner, après hydrolyse acide, un composé B’.

a. Identifier B’.

b. Proposer une méthode pour convertir B’ en alcène exocyclique C représenté ci-dessous.

10. Synthèse du rétinal

Le rétinal est une molécule essentielle dans le processus de la vision : lorsqu’une cellule oculaire reçoit de l’énergie lumineuse sous forme d’un photon, il se produit une cascade de réactions permettant l’envoi d’un signal électrique au cerveau, traduisant la détection du photon par l’œil.

1. Le chlorure de vinylmagnésium (H 2 C=CH–MgCl) réagit avec la propanone pour donner, après hydrolyse, le composé que l’on notera A.

a. Écrire l’équation de la réaction de synthèse du chlorure de vinylmagnésium.

b. Dessiner un schéma légendé du montage permettant la préparation d’un organomagnésien.

c. Proposer deux solvants pour conduire ce type de synthèse.

d. Écrire l’équation de la réaction (indésirable !) entre le chlorure de vinylmagnésium et l’eau.

e. Donner la structure du produit A.

2. Traité par du bromure d’hydrogène, A conduit au 1-bromo-3-méthylbut-2-ène, noté B. Proposer un mécanisme pour la formation de B par analogie avec le mécanisme d’hydratation acide des dérivés éthyléniques.

3. Proposer un enchaînement réactionnel (sans préciser les mécanismes) permettant d’obtenir le 5-chloro-2- méthylpent-2-ène, noté C, à partir de B.

4. Par réaction avec le chlorure d’éthanoyle à basse température (– 78 °C), l’organomagnésien issu de C peut conduire, avec un rendement modeste, à la 6-méthylhept-5-èn-2-one, notée D.

a. Quel réactif utiliser pour préparer le chlorure d’éthanoyle à partir d’acide acétique ? Donner l’équation de la réaction correspondante.

b. Proposer un mécanisme pour la formation de D par réaction entre le chlorure d’éthanoyle et l’organomagnésien issu de C.

O Si

C

Rétinal 4 O

3 7

6 2

5 8

1

9

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c. Justifier que le rendement de la synthèse de D par cette méthode soit faible.

d. Pour obtenir le produit D, vaut-il mieux verser lentement le chlorure d’éthanoyle sur un excès d’organomagnésien ou, inversement, verser lentement l’organomagnésien sur un excès de chlorure d’éthanoyle ? Justifier la réponse.

e. Quel est l’intérêt de procéder à basse température ? En pratique, comment obtenir une température de – 78 °C pour conduire une réaction au laboratoire ?

5. La cétone D est ensuite transformée en produit E, de structure indiquée ci-dessous.

a. En milieu acide, E s’isomérise en β-ionone, de structure indiquée ci-dessus. Proposer un mécanisme pour cette réaction.

b. La température d’ébullition de la β-ionone est 128 °C sous une pression de 12 mm de mercure. La β- ionone peut être purifiée par distillation fractionnée sous pression réduite. Quel est l’intérêt de procéder ainsi plutôt que sous pression atmosphérique ?

O

E

O

β-ionone