Composés carbonylés

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Chimie organique 1 et 2 :

Composés carbonylés

PARTIE 1 : CARBONYLES EN TANT QU’ELECTROPHILES

Applications directes du cours

1. Utiliser les équations des réactions (*)

Donner les formules des produits obtenus lors des transformations suivantes :

1. Action du tétrahydruroborate de sodium dans un solvant eau-éthanol sur le 3-oxopropanoate d’éthyle.

2. Action de l’éthane-1,2-diol en présence d’APTS sur le 3-oxopropanoate d’éthyle.

3. Action de H2C=PPh3 sur la butanone.

4. Action du trioxyde de chrome dans la pyridine sur le propan-1-ol.

5. Action du trioxyde de chrome dans l’acide sulfurique sur le propan-1-ol.

6. Action du bromure de méthylmagnésium sur la cyclohexanone suivie d’une hydrolyse en milieu acide.

7. Action du tétrahydruroaluminate de lithium sur le 2,3-diméthylbut-2-ènal, suivie d’une hydrolyse acide.

8. Action du dihydrogène (25 °C, 1 bar) en présence de nickel de Raney sur le 2,3-diméthylbut-2-ènal.

9. Indiquer un réactif et des conditions expérimentales appropriées pour synthétiser les molécules suivantes à partir de la cyclohexanone :

O

H O O

OH

2. Addition de cyanure sur un carbonylé (*)

1. On désire préparer un organomagnésien mixte B à partir de 1-bromo-1-phénylméthane A. Préciser les réactifs utilisés, les conditions opératoires et les précautions à prendre.

2. On fait réagir B sur du méthanal. On obtient après hydrolyse acide le produit C. Donner la formule de C et le mécanisme simplifié de cette réaction.

3. C est ensuite traité par le complexe CrO₃(pyr)₂ dans le dichlorométhane anhydre de façon à obtenir D.

Donner la formule de D.

4. Le composé D, traité par le cyanure de potassium en acidifiant légèrement le mélange réactionnel, subit une addition nucléophile et conduit à E. Proposer un mécanisme pour cette réaction. Quelle sera la stéréochimie du (des) composé(s) obtenu(s) ?

3. Etape de la synthèse de la progestérone (*)

La progestérone est une hormone stéroïde secrétée au cours des cycles ovariens qui permet l’implantation de l’œuf sur la paroi utérine. Une de ses synthèses, proposée par W.S. Johnson en 1978 met en jeu comme étape- clé une réaction de Wittig avec formation d’un composé C de configuration (E). Les matières premières sont le dérivé iodé A et l’aldéhyde insaturé B.

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O O O O

I

A

O B

1. Rappeler comment préparer un alcène, à l’aide de la réaction de Wittig, à partir d’un halogénure R-CH2-I, de triphénylphosphine, d’un aldéhyde R’-CHO et de toute autre réactif nécessaire.

2. En déduire la structure du composé C.

3. Le composé A présente des fonctions cétone protégées en vue de la réaction de Wittig. Expliquer pourquoi ces protections sont nécessaires. Quelle est la structure du composé A non protégé.

4. Comment effectue-t-on la protection d’une fonction cétone ? On précisera le réactif utilisé ici et un catalyseur possible.

5. Le composé C est traité en milieu hydroorganique acide afin de déprotéger les fonctions cétone. Donner la structure du produit D ainsi obtenu.

4. Etude d’une étape de synthèse (*)

O

O OH

O

HO

OH CHO

O

O

TsCl

S O

O

Cl S

O

O OH

(C₁₇H₂₀SO₄)

(C₁₁H₁₃NO)

?

4 5

6

NaCN, DMSO

7 APTS benzène à reflux 8

9

étapes non détaillées

pyridine

= = APTS

2 1 3 4

5

6

7 8

9 10

 = 2240 cm^-1

TsCl N = pyridine

1. Proposer un réactif pour réaliser la première étape. Commenter l’aspect stéréochimique de la réaction.

2. Donner la structure du composé 6.

3. Sachant que le composé 7 possède une triple liaison CN, indiquer sa formule ainsi que le mécanisme de sa formation.

4. Quel est l’intérêt de la transformation 5  6 ?

5. Donner la structure du composé 8, ainsi que le mécanisme de sa formation. Quelles sont les caractéristiques de cette réaction ?

6. Faire le schéma d’un montage à reflux.

5. Réaction de Wittig (*)

1. Donner les produits des réactions suivantes : O

Ph₃P

+

a)

O OMe Ph₃P

O

+

b)

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2. Donner les structures des composés successifs formés dans l’enchaînement réactionnel suivant : Br

Br

O

2 Ph₃P O

A 2 BuLi

B C

3. Montrer comment une réaction de Wittig permet de préparer les alcènes suivants (on précisera l’halogénure d’alkyle et le dérivé carbonylé à l’origine de la synthèse) :

Ph Ph a)

b)

c)

d)

6. Addition sur les α -énones (*)

1. Donner la formule des composés A et B suivants :

O

O Cl

A

B 1) (CH₂=CH)₂CuLi 2) H₂O, H⁺

2)

1) (CH₂=CH)₂CuLi

2. L’iodure de méthylmagnésium réagit avec la cyclohex-2-énone pour donner, après hydrolyse, un mélange de deux isomères A et B de formule brute C₇H₁₂O. A présente une bande de vibration IR autour de 3600 cm^-1 alors que B présente une bande de vibration IR à 1720 cm^-1.

a) Donner les formules de A et B.

b) Qu’obtient-on si on remplace l’organomagnésien par le méthyllithium ou par le diméthyl-cuprate de lithium ?

7. Cyclisation (*)

Br O

Ph

O

Ph

PPh₃ EtONa

100 °C 1) BH₃

2) H₂O₂, H₂O

CrO₃ H₂SO₄

A B

C B

Déterminer A, B et C et expliciter les diverses réactions.

Exercices rédigés

8. Synthèse de la vitamine C

La vitamine C ou acide ascorbique a été isolée du citron et du poivron en 1920, sa structure a été établie en 1932 par A. Szent-Gyorgyi (Prix Nobel de Médecine en 1937). Cette vitamine est indispensable lors de la fabrication du collagène, constituant principal du tissu organique des dents et des os. Les étapes de sa synthèse industrielle à partir du D-sorbitol (issu du D-glucose) sont présentées ci-dessous.

O

H H

OH OH OH OH

O D-glucose D-sorbitol (noté A dans la suite)

-4- 1. Donner la structure des composés B à E.

2. Proposer un mécanisme pour l'étape B  C et préciser l'intérêt de celle-ci.

3. Expliquer le passage de E à l'acide ascorbique.

4. Proposer un réactif permettant de passer du D-glucose au D-sorbitol.

5. Expliquer pourquoi les industriels utilisent des bactéries pour obtenir le D-sorbitol à partir du D-glucose.

6. Déterminer le rendement total de la synthèse. Commentaire.

7. Donner la configuration des carbones asymétriques de la vitamine C.

9. Rétrosynthèse et Protection de fonction

1. Ecrire le bilan réactionnel résultant de l'action de la propanone sur l'éthane-1,2-diol. Quelle fonction organique obtient-on ?

2. En utilisant l'éthène comme seul produit organique auxiliaire, proposer une synthèse qui permette : a) De passer du 4-hydroxybutanal à l'hexanal

b) De passer du 4-oxopentanoate d'éthyle au 5-éthyl-5-hydroxyheptan-2-one

Comme aux concours

10. Synthèse d’un coupe-faim

On étudie la synthèse de l'Inapétyl, dérivé de l'amphétamine, utilisé pour restreindre l'appétit. Le schéma de la synthèse est le suivant :

1. Donner les structures des composés A et B. On précise que le test iodoforme permet de caractériser les méthylcétone (R-C(=O)-CH3).

2. En milieu acide, B est transformé en C dont la formule brute est C10H13N. Sa structure fait apparaître une double liaison C=N (on parle de fonction imine) en remplacement de la double liaison C=O. Proposer une structure pour C, ainsi qu’un mécanisme pour cette réaction acido-catalysée.

3. Proposer en suite des structures pour les composés D et E.

4. Détailler le mécanisme de l’étape D → E.

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11. Synthèse de l’ipsénol (excellent exercice de révision)

On étudie la synthèse de l'ipsénol (A, C10H18O) qui est la phéromone sexuelle de la mouche du pin et qui a été synthétisée à partir du composé B représenté ci-dessous :

1. Nommer le composé B.

2. Le composé B réagit avec l'éthane-1,2-diol en présence d'acide pour donner le composé C de formule brute C₁₁H_2OO₄.

a) Quels sont les groupes caractéristiques présents dans B ?

b) Donner le mécanisme de la réaction conduisant à C et nommer les groupes caractéristiques présents dans C.

3. Par action du tétrahydruroaluminate de lithium, suivie d'une hydrolyse acide, C est transformé en D, de formule brute C9H18O3. D présente en infrarouge une bande d'absorption forte et large vers 3 300 cm^-1. a) Quelles propriétés présente le tétrahydruroaluminate de lithium ? Donner la fourme semi-développée

de D.

b) Quel produit E obtiendrait-on si la réaction avec le tétrahydruroaluminate de lithium suivie d'une hydrolyse acide était effectuée sur B ? Quel est le but de la transformation de B en C ?

4. L'oxydation douce du composé D donne F.

a) Quelle est la formule semi-développée de F ? Justifier le terme d’« oxydation douce ».

b) Proposer un réactif permettant de réaliser cette oxydation et donner l'équation de la réaction.

c) Comment peut-on vérifier, à l'aide des méthodes spectroscopiques infrarouge et de résonance magnétique nucléaire du proton, la formation de F ?

5. F réagit avec le chlorure de vinylmagnésium (H2C=CHMgCl) et après hydrolyse en milieu faiblement acide, un composé G est obtenu.

a) Donner les schémas réactionnels des étapes conduisant à G en précisant le type de mécanisme de la première étape.

b) Pourquoi l'hydrolyse doit-elle être effectuée : - en milieu acide ?

- en milieu faiblement acide ? 6. Une oxydation douce de G donne H.

a) Donner la formule de H.

b) Quelle particularité présentent certaines des liaisons présentes dans le composé H ? Comment cela se traduit-il dans le spectre infrarouge de H ?

7. Le composé H est transformé en I par une réaction de Wittig utilisant comme produits de départ pour synthétiser l'ylure de phosphore l'iodure de méthyle et la triphénylphosphine, P(C₆H₅)₃.

a) La synthèse de l'ylure de phosphore comporte deux étapes, une substitution nucléophile suivie d'une réaction en présence d'une base B|. Donner les équations de ces deux étapes et proposer une base.

b) Ecrire les formules mésomères de l'ylure de phosphore obtenu.

c) La réaction de Wittig est qualifiée d'addition nucléophile. Justifier.

d) Donner l'équation de la réaction de Wittig et la formule de I.

8. I est hydrolysé à chaud, en présence d'acide chlorhydrique et conduit à J. Donner l'équation de la réaction et la formule de J.

9. Enfin, J est traité par le tétrahydruroborate de sodium dans l'éthanol. Après hydrolyse acide, l'ipsénol A est isolé.

a) Donner le mécanisme de la réaction.

b) Quelle est la formule de A ? Donner son nom dans la nomenclature systématique.

c) L'ipsénol ainsi synthétisé est-il optiquement actif ? Justifier.

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PARTIE 2 : CARBONYLES RENDUS NUCLEOPHILES PAR DEPROTONATION

Applications directes du cours

1. Formation d’énol (*)

10. Les composés suivants sont-ils énolisables ?

O O

O O

11. Pourquoi les proportions de forme énol mesurées pour les cétones suivantes sont-elles si différentes ?

O O

O

% énol : 4.10^-4 % 98 %

2. Formation d’énolate (*)

1. Préciser les formules de l’énolate cinétique et de l’énolate thermodynamique dans chaque cas :

O

O

2. Proposer des réactifs et conditions expérimentales pour réaliser la transformation suivante :

O

O

3. On introduit peu à peu de la pentan-3-one dans une solution de LDA en excès dans le THF, à basse température. Quel composé obtient-on ? Quelle réaction risquerait de se produire si on introduisait le LDA dans une solution de pentan-3-one en excès à température ambiante ?

3. Utiliser les équations et conditions de l’expérience (*)

Br

O

2) 1) LDA

?

1) _{O O}

Br 1) HO- 2)

? 2)

O 1) LDA, -10 °C 2) PhCH₂Br

?

3) O

1) LDA, 25 °C 2) CH₃I ? 4)

O HO-

?

5) 6) O O

+

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2. Proposer des synthèses pour obtenir les composés ci-dessous en utilisant comme seuls composés organiques des aldéhydes ou des cétones. Proposer des conditions pour éviter la formation de composés parasites.

O OH

O O

A B C

4. Synthèses à partir de la 2-méthylcyclohexanone (*)

6. Proposer une synthèse de A à partir de la 2-méthylcyclohexanone et du 1-phénylpropénal selon une addition nucléophile 1,4 (ou réaction de Mickael).

O O

A Ph

7. L’utilisation avec la 2-méthylcyclohexanone de la but-3-èn-2-one comme accepteur de Mickael permet de combiner une addition de Mickael et une aldolisation cyclique. Cette séquence s’appelle l’annélation de Robinson. Expliquer la synthèse de B.

O B

5. Synthèse de la

-ionone (*)

La β-ionone utilisée en parfumerie (odeur agréable de violette qui se développe par dilution dans l’alcool) et à partir de laquelle la vitamine A a été synthétisée, peut être préparée à partir du citral. Ce dernier est condensé en milieu basique avec l’acétone. Le chauffage du produit de condensation A, en présence d’acide sulfurique, fournit la β-ionone désirée. Sachant qu’il se forme la pseudoionone (de formule brute C13H20O) comme intermédiaire, détailler toutes les étapes de la synthèse de la β-ionone à partir du citral.

6. Synthèse multi-étapes

1. Le 1-bromopentan-3-ol est placé en présence d’anhydride chromique CrO3 dans l’acide sulfurique. On obtient le produit A, qui réagit avec la 2,4-DNPH (2,4-dinitrophénylhydrazine) pour donner un précipité orange.

a) Donner la formule semi-développée de A ainsi le type de réaction qui a permis de l’obtenir à partir du 1-bromopentan-3-ol.

b) Proposer un mécanisme pour la réaction entre A et la DNPH sachant que la DNPH réagit par sa fonction amine primaire et qu’elle forme avec A, en milieu acide, une imine selon l’équation :

O

Y NH₂ N Y

OH₂

+ +

2. On fait désormais réagir A avec l’éthane-1,2-diol (ou glycol) en milieu acide sulfurique dilué et on obtient un produit B. B est ensuite placé en milieu basique dilué à 40 °C (soude NaOH) et on obtient le produit C.

a) Donner la formule semi-développée de B.

b) Préciser le mécanisme de passage de A à B.

c) Donner la formule semi-développée de C, en précisant le type de mécanisme mis en jeu.

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3. C est ensuite placé en présence d’un excès d’eau avec de l’acide sulfurique. On obtient le produit D.

Donner la formule semi-développée de D.

4. D est ensuite opposé à une base forte et on obtient le produit E qui décolore l’eau de brome. E réagit ensuite avec le cuprate de méthylmagnésium. On obtient alors le produit F dont on donnera la formule.

7. Addition sur une α -énone

3. En milieu basique, le composé A conduit à la formation du dérivé cyclique F, puis au composé G après un chauffage en milieu acide. Détailler le mécanisme des deux étapes conduisant à G.

4. Rappeler, sans donner les mécanismes, la réactivité d’un composé du type de G vis-à-vis d’un organomagnésien, d’un organolithien et d’un organocuprate lithié.

5. En présence de bromure de méthylmagnésium, quel(s) produit(s) obtient-on ? Donner les conditions expérimentales pour réaliser cette réaction.

6. En milieu acide, la molécule A réagit avec l’éthane-1,2-diol pour former la molécule B. Décrire le mécanisme de sa formation et donner sa structure. Expliquer la régiosélectivité de cette réaction.

7. L’étape suivante est la réduction de la molécule B pour former le composé C. Proposer un réducteur et des conditions expérimentales associées. Représenter C.

8. En milieu acide, C est transformé en D qui se cyclise pour former la molécule E. Donner le mécanisme de formation de E à partir de D. Donner le nom de la fonction formée au cours de la réaction. Combien de stéréoisomères obtient-on pour D ?

8. Polymérisation en milieu acide

En présence d'acide, l'éthanal polymérise. On obtient :

1. soit un trimère cyclique, le paraldéhyde, utilisé comme somnifère

2. soit un tétramère cyclique, le métaldéhyde, utilisé en agriculture comme poison des limaces.

Donner la formule de ces polymères et préciser le mécanisme de leur formation.

Exercices rédigés

9. Substrat pour la synthèse du clovène

Données en RMN du proton : déplacements chimiques  en ppm

CH3-C- CH3-C=C- CH3-C-CO- CH3-O- -CH2-O-

0,9-1,1 1,6-2,0 1,3-1,4 3,4-4,0 3,6-4,4

-CH2-CO- -CH2-C-CO- -OC-CH2-CO- -CH=CH- (cycle) HO-C=C-

2,2-2,8 1,7-2,1 3,4-3,8 5,2-6,0 10-12

Données de spectroscopie infrarouge (I.R.) : nombres d’onde des bandes d’absorption du carbonyle en cm^-1

R-CHO -C=C-CHO R-CO-R' -C=C-CO-R'

1720-1740 1680-1690 1705-1720 1665-1680

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Le réactif B utilisé comme produit de départ de cette synthèse est la cyclohexane-1,3-dione. Les déplacements chimiques des protons du spectre RMN, obtenus de manière expérimentale, d’une solution de B dans le chloroforme deutérié sont comparés ci-dessous avec ceux obtenus par simulation du spectre RMN de B.

Déplacements chimiques (ppm) et multiplicité Spectre de la solution

de B dans CDCl3

2,01 multiplet (2H)

2,26-2,77 multiplet (4H)

5,5 singulet (1H)

11,25 singulet (1H) Spectre de B

simulé

1,85 quintuplet (2H)

2,45 triplet (4H)

3,61

singulet (2H) -

En outre, le spectre I.R. de la solution de B révèle deux bandes caractéristiques : une bande principale forte à 1586 cm^-1, et une bande très large entre 2200 et 3200 cm^-1 centrée sur 2800 cm^-1.

1. Attribuer de façon claire les différents déplacements chimiques des protons du spectre simulé de B.

2. Quel phénomène chimique mettent en évidence les différences observées entre les deux spectres ? En déduire la structure de la forme prépondérante de B dans ces conditions, puis effectuer l’attribution correspondante pour les déplacements observés.

3. Expliquer la valeur particulièrement basse du nombre d’onde de la bande principale d’absorption en I.R. de B.

La dione B est mise en solution dans un mélange de toluène et d’éthanol (4/1 en volume) en présence d’une quantité catalytique d’acide para-toluènesulfonique. La solution obtenue est ensuite portée au reflux à l’aide d’un réfrigérant équipé d’un appareil de Dean-Stark. Cet appareil permet notamment l’élimination de l’eau au fur et à mesure de sa formation. Après extraction de la phase réactionnelle, traitement et distillation sous vide, on récupère un produit liquide C de formule brute C₈H₁₂O₂, avec un rendement de 75%. Le spectre RMN proton dans CDCl3 (origine tétraméthylsilane, TMS) est représenté sur la figure 1.

4. À partir des données fournies, écrire l’équation-bilan de la réaction puis identifier le composé C formé.

5. Proposer un mécanisme justifiant la formation de C.

10. Equilibre céto-énolique

On considère un composé B de formule C6H10O2. Le spectre de RMN du proton du composé B présente les signaux suivants : un triplet à 1,1 ppm (J = 6 Hz), d’intensité relative 3 ; un quadruplet à 2,5 ppm (J = 6 Hz) d’intensité relative 2, un multiplet mal résolu, d'intensité relative 4 vers 2,75 ppm, et un singulet d'intensité relative 1 à 9,6 ppm. B ne présente pas d’absorption infra-rouge significative au-dessus de 3000 cm^-1, et possède entre autres une bande d’absorption anormalement large et intense à 1750 cm^-1 et une bande vers 2750 cm^-1.

1. Déterminer la formule développée de B, en indiquant le raisonnement complet, et en interprétant toutes les données spectroscopiques fournies relatives à B (voir données de RMN ¹H et d'infra-rouge).

2. Proposer une réaction qui permet de former la 3-hydroxy-2-méthylcyclopentanone C à partir de B.

Indiquer les conditions expérimentales et le mécanisme de cette réaction.

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C réagit avec le trioxyde de chrome CrO₃ en présence de pyridine pour donner D.

Pyridine Composé D

3. Donner le nom de D.

4. De quel type de réaction s'agit-il ?

5. Le composé D présente une tautomérie. Qu'est-ce qu'une tautomérie ? Représenter le tautomère de D.

Pourquoi ce tautomère est-il présent en quantité non négligeable ?

Données infra-rouge :

Groupe fonctionnel Fréquence /cm^-1 Groupe fonctionnel Fréquence /cm^-1 Alcanes C-H 2850 – 2960 Aldéhydes C=O 1720 - 1740 Alcools O-H 3600 libre Aldéhydes C-H 2700 - 2800 Alcools O-H 3300 – 3550 lié Cétones C=O 1710 - 1730 Acides O-H 3000 large Acides C=O 1740 - 1800

Données de R.M.N. :

Type de proton  / ppm

Alkyle RCH3 0,8 - 1,0

Alkyle RCH2R 1,2 - 1,4

Benzylique C6H5CH3 2,2 - 2,5 Dérivé carbonylé RCOCH2R' 2,4 - 2,7

Éther ROCH₂R 3,3 - 3,9

Acide carboxylique RCO2H 9,5 - 14,0

Aldéhyde RCOH 9,0 - 10,0

Dérivé d’acide RCH₂CO₂R 2,0 - 3,0

Comme aux concours

11. Synthèse du Longifolène

La synthèse du Longifolène, est réalisée en plusieurs étapes à partir de la dicétone 1 selon le schéma réactionnel suivant :

N

O

O

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4. Transformation 1 → 2 : la dicétone 1 est traitée par de la soude, puis par un équivalent de dérivé iodé.

Donner la structure de 2 et détailler le mécanisme de cette réaction. Quelle quantité de base doit-on utiliser (catalytique ou équimolaire) ? Combien obtient-on de stéréoisomères de 2 ?

5. Transformation 2 → 3 : le composé 2 est à nouveau traité par de la soude puis par la butènone pour conduire au dérivé 3. Écrire les structures limites pour la butènone. Proposer alors un mécanisme pour la réaction de formation de 3.

6. Transformation 3 → 4 : lorsqu’on soumet le composé 3 aux conditions de crotonisation en milieu acide, on obtient le produit 4. Combien obtient-on de stéréoisomères de 4 ?

7. Transformation 4 → 5 : l’une des fonctions cétone de 4 est protégée par réaction de 4 avec l’éthane-1,2- diol en milieu acide. Quelles sont les conditions pour avoir une transformation quantitative ?

8. Transformation 7 → 8 : le dérivé 7 est traité par le diisopropylamidure de lithium (LDA), une base très forte et très peu nucléophile, puis par un équivalent de dérivé iodé. Combien peut-on obtenir a priori de régioisomères de 8 ?

9. Transformation 8 → 9 : quel réactif proposez-vous pour réaliser cette étape ?

10. Transformation 9 → 10 : quelle réaction proposez-vous pour transformer 9 en 10a ? Donner le mécanisme de cette transformation et justifier la formation de ce stéréoisomère. Dans quel(s) solvant(s) peut-on effectuer cette réaction (eau, méthanol, acétone ou diéthyléther) ? Justifier votre réponse. Proposer un réactif qui permettrait de transformer 9 en 10b. Donner le mécanisme de la réaction.

11. Transformation 10a → 11 : lorsqu’on traite l’alcool 10a par un acide, on obtient l’alcène 11. Donner le mécanisme de cette transformation.