Modèles de réactivité, Réaction de Diels-Alder

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Chimie organique 6 :

Modèles de réactivité, Réaction de Diels-Alder

Exercices d’entraînement

1. Préparer une question de cours sur la réaction de Diels-Alder (*)

2. La réaction est-elle toujours sous contrôle cinétique frontalier ?

3. En utilisant le buta-1,3-diène comme diène, proposer deux diénophiles permettant d’illustrer la stéréospécificité de la réaction.

4. En prenant l’éthène comme diénophile, proposer deux diènes permettant d’illustrer également la stéréospécificité de la réaction.

5. Proposer un couple diène/diénophile qui réagira plus vite que le couple buta-1,3-diène/éthène.

2. Synthèse et rétro-synthèse (*)

1. Prévoir l’ensemble des produits attendus respectant la stéréospécificité de la réaction de Diels-Alder.

O

O

+

OMe

OMe

CN

CN

+

Ph

Ph CN

NC

+

O

CO₂Me

CO₂Me

+

2. Donner les structures des diènes et diénophiles qui ont permis la synthèse des molécules suivantes par la réaction de Diels-Alder. Quand cela est possible, on précisera la configuration exacte des réactifs.

CN

H O O O

O

CO₂H

CO₂H

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3. Sélectivité de la Diels-Alder (*)

On a représenté ci-après les orbitales frontières de deux molécules A et B (vue de dessus).

1. Identifier l’interaction HO-BV prépondérante.

2. Donner la structure du produit final majoritaire et justifier sa formation préférentielle.

4. Réactivité (*)

Les composés carbonylés sont des électrophiles souvent utilisés en chimie organique. Pour augmenter leur électrophilie, il est souvent procédé à une assistance électrophile utilisant un acide (de Brönsted ou de Lewis).

Par exemple, le méthanal se lie à l’acide de Lewis AlCl3 selon :

H H

O

H H

O AlCl₃ +

- AlCl₃

+

On a calculé par la méthode de Hückel les énergies des OF du méthanal et de l’adduit de Lewis :

Méthanal Adduit

Energie des OF α + 1,62 β et α - 0,62 β α + 2,85 β et α - 0,35 β

1. Si la réaction est sous contrôle cinétique frontalier, quel composé est-il le plus réactif vis-à-vis d’un même nucléophile dont l’OM impliquée a une énergie inférieure à α ?

2. Comment peut-on transposer ce résultat au modèle de Lewis en utilisant des formules mésomères ?

5. Addition sur une α -énone (*)

On étudie la réaction d’un nucléophile sur la 3-méthylpent-3-èn-2-one dont les coefficients des OM π sont obtenus par la méthode de Hückel. Chaque groupe méthyle est décrit comme un hétéroatome à deux électrons π ; seuls les coefficients sur l’atome d’oxygène et les atomes 2, 3 et 4 sont donnés. La dernière ligne du tableau donne la charge nette portée par chaque atome.

1

2 3

4

5

O

Energies C2 O C3 C4

α + 2,56 β 0,411 0,289 0,375 0,222

α + 2,27 β 0,210 0,182 - 0,110 - 0,257

α + 2,15 β - 0,065 - 0,062 0,149 - 0,120

α + 1,53 β 0,350 0,699 0,155 0,059

α + 0,72 β 0,109 - 0,421 0,583 0,531

α – 0,55 β 0,560 - 0,397 0,233 - 0,645

α – 1,69 β 0,579 - 0,237 - 0,638 0,411

Q 0,298 - 0,573 - 0,078 0,169

1. Identifier les OF de la molécule.

2. Si la réaction est sous contrôle orbitalaire, sur quel atome va se fixer préférentiellement le nucléophile ? 3. Même question si la réaction est sous contrôle de charge.

4. Commenter les résultats obtenus aux questions 2 et 3.

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6. Estérification intra ou intermoléculaire

L’acide 5-hydroxypentanoïque est un composé bifonctionnel qui peut être estérifié par deux processus renversables qui sont en compétition : l’un est intermoléculaire, l’autre intramoléculaire :

O H

O OH

O O

OH₂

+

O H

O

O O O

H

OH₂

+

1. Comparer, en première approximation, les enthalpies standard de ces deux réactions en étudiant les liaisons créées et rompues au cours de chacune des réactions.

2. Comparer les entropies standard de réaction de ces deux processus.

3. En déduire quelle réaction est associée à la plus grande constante d’équilibre. Si on laisse le système réagir longtemps, quel sera le produit majoritaire ?

Exercices d’approfondissement

7. Elimination

On étudie la réaction bimoléculaire de déshydrohalogénation du 2-iodohexane en milieu fortement basique.

La réaction est sous contrôle cinétique. Les proportions des alcènes obtenus sont données dans le tableau suivant :

Base forte et solvant Hex-1-ène Hex-2-ène

MeO^- dans MeOH 19 % 81 %

tBuO^- dans tBuOH 78 % 22 %

Identifier le type de contrôle cinétique et justifier soigneusement chaque résultat en proposant des profils réactionnels adaptés à chaque cas.

8. Catalyse par les acides de Lewis (*)

Il existe de nombreux acides de Lewis utilisés couramment en synthèse organique, par exemple le trichlorure d'aluminium AlCI₃.

1. Sachant que le numéro atomique de l'aluminium est Z = 13, proposer un schéma de Lewis de AlCl3 et justifier que ce composé est bien un acide de Lewis.

Du fait de cette propriété, le trichlorure d'aluminium peut se fixer sur l'atome d'oxygène de la double liaison C=O (site base de Lewis) d'une fonction carbonyle ou ester. On étudie la réaction du 2-méthylbuta-1,3-diène sur la but-3-énone, en absence ou en présence d'un catalyseur acide de Lewis (SnCI4 ici). On obtient les résultats expérimentaux suivants :

O O

O

+ +

Chauffage dans le toluène 71 % 29 %

à 120°C en tube scellé

En présence d'une quantité 93 % 7 %

catalytique de SnCI4, 5H2O à 0 °C

2. Quel aspect des conditions opératoires tend à prouver le caractère de catalyseur de SnCI4.

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3. Comparer les proportions de chaque produit, en absence et en présence de SnCI₄. Quel type de sélectivité est ici amélioré ?

On étudie à présent la réaction du cyclopentadiène sur l'acrylate de méthyle. On obtient les résultats suivants :

CO₂Me H

CO₂Me H

CO₂Me

+

+

(+ énantiomère) (+ énantiomère)

Sans AlCl3 88 % 12 %

Avec AlCl3 96 % 4 %

4. Comment nommer simplement les deux produits pour les distinguer (un mot pour chacun) ? 5. Dessiner l'énantiomère de chaque produit.

6. Comparer les proportions de chaque produit, en absence et en présence de AlCI3. Quel type de sélectivité a été ici amélioré par l’utilisation d’AlCl3.

On souhaite enfin justifier ces résultats dans le cadre de la théorie des orbitales frontières, à l'aide des données. Pour simplifier l'étude, les catalyseurs sont tous modélisés par un cation métallique M⁺, les diénophiles sont modélisés par le prop-2-énal (acroléine).

7. Justifier que les acides de Lewis soient des catalyseurs.

8. Dans la première série d'expériences, justifier les proportions obtenues de chaque produit en absence de catalyseur, puis leur évolution en présence de catalyseur.

9. Dans la deuxième série d'expériences, justifier les proportions obtenues de chaque produit en absence de catalyseur, puis leur évolution en présence de catalyseur.

Données :



E C1 C2 C3 C4 C5

HO α + 0,57 β 0,65 0,37 - 0,31 - 0,55 - 0,18

BV α - 0,64 β 0,56 - 0,36 - 0,40 0,62 0,10



E C1 C2 C3 C4 C5

HO α + 0,62 β 0,60 0,37 - 0,37 - 0,60 0

BV α - 0,87 β 0,60 - 0,32 - 0,32 0,60 -0,29





4 3

2

O

1 E O1 C2 C3 C4

HO α + β 0,58 0,00 - 0,58 - 0,58

BV α - 0,35 β 0,43 - 0,58 - 0,23 0,66

4 3

2

O1 M+

E O1 C2 C3 C4

HO α + 1,3 β 0,35 - 0,32 - 0,69 - 0,55

BV α - 0,15 β 0,25 - 0,67 - 0,10 0,69

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9. Une étape de la synthèse du patchoulol

Le patchoulol (représenté ci-dessus : le trait ondulé signifie que la configuration du carbone n’est pas précisée) est un alcool issu d’une famille de plantes, les patchoulis, voisines des menthes, et utilisé en parfumerie moderne. Une voie de synthèse du patchoulol met en jeu une réaction de Diels-Alder comme première étape.

La réaction de Diels-Alder, mise en jeu lors de la synthèse, est réalisée entre un cyclohexadiène disubstitué et la but-3-èn-2-one. On obtient le composé A (C₁₂H₁₈O) de stéréochimie endo :

1. Préciser la formule semi-développée et la nomenclature du cyclohexadiène de départ.

2. Quels produits secondaires obtient-on en effectuant la réaction ?

3. Indiquer, en la justifiant par les règles de préséance, la configuration absolue de l'isomère endo de A. Quel est le lien stéréochimique entre les isomères endo et exo de A ? Préciser, sur un schéma, la géométrie d'approche des deux réactifs conduisant au composé A endo.

On donne les orbitales moléculaires de symétrie π obtenues par un calcul de Hückel, sur le cyclohexadiène substitué modélisé par le 2-méthylpenta-1,3-diène et sur la but-3-én-2-one. Le substituant méthyle est décrit comme un hétéroatome à deux électrons défini par les paramètres αMe = α + 2β et βMe = 0,7β. L'atome d'oxygène est défini par les paramètres αo = α + β et βco = β.

Energies et coefficients des O.M π du 2-méthylpenta-1,3-diène

Energies et coefficients des O.M. π de la but-3-èn-2-one 4. Écrire le déterminant séculaire de la but-3-én-2-one.

5. Identifier les orbitales frontières des réactifs. Quelle est l'interaction frontalière prédominante ? Justifier la régiosélectivité observée.

E α + 2,38 β α + 2,24 β α + 1,30 β α + 0,48 β α - 0,71 β α - 1,69 β

C1 0,163 - 0,075 0,346 - 0,648 0,546 0,361

C2 0,387 - 0,168 0,451 - 0,309 - 0,309 - 0,608

C3 0,263 0,046 0,560 0,400 - 0,337 0,584

C4 0,239 0,272 0,279 0,501 0,632 - 0,376

C5 0,439 0,803 - 0,281 - 0,230 - 0,163 0,071

C6 0,710 - 0,496 - 0,454 0,142 0,101 0,116

E α + 2,41 β α + 1,58 β α + 1,00 β α - 0,41 β α - 1,58 β

O 0,326 0,594 - 0,577 0,390 - 0,234

C1 0,787 - 0,584 0 0,160 - 0,118

C2 0,460 0,347 0 - 0,550 0,603

C3 0,231 0,364 0,577 - 0,275 - 0,637

C4 0,096 0,223 0,577 0,665 0,403

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10. Addition d’un organostannane sur un composé bifonctionnel

On fait réagir l’organométallique (n-Bu)3Sn-CH=CH2 sur C en proportions équimolaires, en présence d’un catalyseur, Pd(P(C6H5)3)4. Le composé D, très majoritaire, est obtenu avec un rendement de 90% :

O

O

Cl O

^O

O O

Composé C Composé D

1. Les organostannanes sont des composés organométalliques qui réagissent ici de façon assez analogue aux organomagnésiens mixtes. Proposer un mécanisme pour la formation de D en additionnant sur C l’organomagnésien BrMg-CH=CH2.

2. Quel autre produit aurait-on obtenu si l’addition de l’organostannane s’effectuait sur la fonction ester ? Qualifier la sélectivité de la réaction.

Pour rendre compte de la sélectivité de cette réaction qui se déroule sous contrôle orbitalaire, on étudie les orbitales frontières du substrat. Les groupes fonctionnels ester et chlorure d’acyle de C sont modélisés par les fragments suivants :

Me O

Cl

Me O

O

Me

Les orbitales frontières de ces fragments sont présentées ci-après :

3. Déduire de ce tableau, quelles OM correspondent aux orbitales frontières du composé C ? 4. Interpréter la sélectivité de la formation de D.

Le composé D présente une fonction α-énone qui possède deux sites électrophiles. Par conséquent, un risque de polyaddition ne peut être exclu : l’organostannane s’additionne alors sur le produit D nouvellement formé au lieu de s’additionner sur le substrat C. Nous cherchons ici à comprendre si le modèle des OF permet d’expliquer pourquoi la polyaddition n’est pas observée.

Le fragment α-énone est modélisé par la but-3-èn-2-one dont les OF sont :

5. Comparer la réactivité de C et de D vis-à-vis d’un nucléophile dans le cadre de la théorie des OF.

6. Discuter de la validité du contrôle orbitalaire pour cet exemple.

Énergie Coef. des OA Énergie Coef. des OA

BV α – 0,79 β

Me O

Cl -0,21

0,85

-0,47

-0,12

BV α – 0,92 β Me O

O

Me 0,05

-0,24 -0,20 -0,44

0,84

HO α + 1,40 β

Me O

Cl -0,39

0,33 0,83

-0,22

HO α + 1,26 β _Me

O O

Me 0,36

-0,48 -0,18 0,75

0,19

BV α – 0,41 β

Me O

-0,55 0,16

0,39

-0,27

0,67 HO α + β

Me O

0,00 0,00

-0,58

0,58 0,58