La vitamine C est le nom courant de l’acide 𝐿-(+)-ascorbique :
Cette vitamine est très connue pour ses divers effets sur le métabolisme et se retrouve dans de nombreux fruits et légumes. Elle est facilement assimilée car hydrosoluble. Cependant, elle s’oxyde très rapidement sous l’effet de la chaleur et d’agents oxydants, ce qui rend difficile son stockage par l’organisme et impose un apport régulier pour contrer sa dégradation.
O O
HO OH
HO
OH H
1. Dénombrer les centres stéréogènes que présente la vitamine C. Indiquer la nature des descripteurs stéréochimiques de ces centres.
2. Indiquer ce que représente le symbole (+) dans la dénomination de l’acide L-(+)-ascorbique.
Nommer la grandeur physique qui y est associée et schématiser, en le nommant également, l’appareil qui permet de la mesurer.
3. Dénombrer, en les représentant, les stéréoisomères de configuration possibles pour la vitamine C.
Préciser leurs relations de stéréoisomérie.
Le spectre de RMN!H de la vitamine C est réalisé dans le DMSO deutéré, CD!SOCD!, puis dans l’eau deutérée ou « eau lourde » D!O où D désigne l’isotope !!H de l’hydrogène. Les deux spectres obtenus sont représentés ci-dessous. Les valeurs des intégrations de chaque pic sont présentées par un chiffre à côté de chaque signal.
4. Indiquer la condition que doivent respecter les noyaux analysés pour pouvoir générer un signal en RMN.
5. Expliquer la différence majeure observée entre les deux spectres présentés.
6. A quels protons de l’acide ascorbique les singulets élargis à 4,9 ppm, 8,3 ppm et 11 ppm peuvent-ils être attribués ? Justifier soigneusement la réponse.
Spectre de RMN!H de l’acide ascorbique à 400 mHz dans le DMSO deutéré
Spectre de RMN!H de l’acide ascorbique à 90 mHz dans D2O
L’acide L-ascorbique peut être utilisé comme précurseur pour synthétiser des sucres en série L, c’est-à- dire les énantiomères des sucres naturels qui sont eux en série D. Des chercheurs ont montré qu’il était ainsi possible de partir de l’acide L-ascorbique pour obtenir en quelques étapes huit sucres en série L de manière stéréo-contrôlée :
1
1
1 1
2
2
1
2
1
Le sujet s’intéresse à la synthèse des intermédiaires 11 à 14 présentés sur la figure ci-dessus.
O
HO OH
HO O
OH
1
O
HO OH
O O
O
2 propanone, APTS
Dean-Stark, toluËne
H2O2 K2CO3
OH
O K, O O O
(a) 3 (b)
CH3CH2I
OH
O EtO O O
4 6
OH
O EtO O O
5
O O
O Ph
CO2Me
11 O
O
O Ph
CO2Et
13
inversion de configuration 7
(COCl)2, DMSO Et3N
LiBH4 O 8
O
O Ph
CO2Me
O O
O Ph
CO2Et
14
(Z) ou (E) ?
(Z) ou (E) ?
P O F3CH2CO
O O
F3CH2CO
P O EtO
O O
EtO NaH
9 10
Ether-18-couronne-6 KHDMS
1. NaH 2. PhCH2Br 12
7. Nommer la transformation 𝟏→𝟐. Proposer une équation pour la réaction associée.
8. Expliquer brièvement le rôle du montage de DEAN-STARK et discuter du choix du toluène comme solvant.
9. Donner la structure de l’APTS. Expliquer pourquoi l’avoir choisi comme précurseur du catalyseur plutôt que l’acide sulfurique H!SO!.
10. Détailler le mécanisme réactionnel de la transformation 𝟏→𝟐. Expliquer le rôle de l’APTS.
Le composé 𝟐 obtenu est transformé par action de l’eau oxygénée en milieu basique. Ce clivage mène au sel 𝟑 composé d’un ion carboxylate et d’un ion potassium.
11. Dans les composés 𝟐 et 3, calculer les nombres d’oxydation des atomes de carbone 𝒂 et 𝒃 . En déduire la nature de la transformation 𝟐→𝟑.
La transformation 𝟑→𝟒 fait appel à l’iodoéthane comme réactif.
12. Proposer deux voies de synthèse de l’iodoéthane CH!CH!I à partir d’éthanol CH!CH!OH. Les comparer.
13. Nommer la fonction formée lors de la transformation 𝟑→𝟒. Nommer le mécanisme associé à cette réaction, en justifiant la réponse. Quel solvant pourrait être utilisé pour cette étape ? Justifier.
Le composé 𝟒 peut ensuite être transformé pour donner le composé 𝟓. Des transformations non détaillées ici permettentd’obtenir les intermédiaires 𝟏𝟏et 𝟏𝟑 à partir de la molécule 𝟓.
14. Quelle est la relation de stéréoisomérie entre les composés 𝟒 et 𝟓 ?
Une seconde voie de synthèse permet cette fois de transformer le composé 𝟒 en le mettant en présence d’hydrure de sodium NaH et de bromure de benzyle PhCH!Br (ou BnBr) pour donner la molécule 𝟔.
15. Quel est le rôle de NaH ? Écrire l’équation de la réaction et donner la structure de l’espèce intermédiaire formée. Comment aurait-on pu procéder autrement que par une réaction acido-basique ? 16. Nommer la transformation 𝟒→𝟔 et donner la structure du composé 𝟔. Ecrire le mécanisme de la réaction.
17. Proposer une méthode pour réaliser un suivi expérimental de l’avancée de la transformation 𝟒→𝟔.
Décrire en quelques lignes un protocole permettant de déterminer si la réaction est terminée. La méthode choisie ainsi que les observations permettant d’arriver à la conclusion devront être justifiées. La réponse gagnera à être illustrée par des schémas appropriés.
Le composé 𝟕 obtenu par réaction de la molécule 𝟔 avec LiBH! présente une bande large et intense sur son spectre d’absorption infrarouge vers 3 400 cm!!.
18. En détaillant l’analyse des données spectroscopiques, donner la structure du composé 𝟕 et indiquer la nature de la transformation 𝟔→ 𝟕.
19. Quel autre réactif aurait pu être employé à la place de LiBH! ? Dans quelles proportions aurait-il été introduit ? Quel solvant aurait pu être employé ? Pourquoi ?
Le composé 𝟕 est ensuite oxydé par le réactif de SWERN. Le produit 𝟖 présente sur son spectre d’absorption infrarouge une bande fine et intense vers 1 740 cm!!, mais aucun signal au-dessus de 3000 cm!!. Sur son spectre de RMN !H est présent vers 9,5 ppm un doublet intégrant pour 1H (constante de couplage J=2 Hz).
20. En détaillant l’analyse des données spectroscopiques, donner la structure du composé 𝟖. Citer d’autres conditions qui auraient également permis d’oxyder 𝟕 en 𝟖.
21. Expliquer l’intérêt de la transformation 𝟒→ 𝟔.
A partir de la molécule 𝟖, il est possible d’obtenir les composés𝟏𝟐 et 𝟏𝟒 par des réactions de WADSWORTH-EMMONS-HORNER apparentées à des réactions de WITTIG. Après purification, le composé 𝟏𝟐 présente, entre autres, les signaux suivants sur son spectre de RMN!H:
7,31 (m, 𝟓𝐇), 6,18 (dd, J=11,7 Hz ; J′ =9,0 Hz, 𝟏𝐇), 6,00 (dd, J=11,7 Hz ; J!! = 1,0 Hz,𝟏𝐇)
22. En détaillant l’analyse des données spectroscopiques, montrer que la formation des liaisons doubles carbone-carbone dans les composés 𝟏𝟐 et 𝟏𝟒 est stéréosélective. On donnera les stéréodescripteurs associés aux doubles liaisons carbone-carbone des composés 𝟏𝟐 et 𝟏𝟒.
Avant purification,le composé 𝟏𝟒 est en réalité obtenu avec un excès diastéréoisomérique ed de 96%.
Cela signifie ici qu’il est présent dans le brut réactionnel sous la forme de deux diastéréoisomères, l’un de configuration E , le second de configuration Z . L’excès diastéréoisomérique est défini par la relation :
ed= % E −% Z
% E +% Z
où % E et % Z représentent les proportions respectives des alcènes de configuration E et Z , tous deux liquides à 25°C sous pression atmosphérique.
23. Déterminer les proportions des deux diastéréoisomères de configuration E et Z avant séparation.
Expliquer comment accéder expérimentalement à la valeur de l’excès diastéréoisomérique. Nommer une technique qui permet de séparer les deux diastéréoisomères formés pour obtenir 𝟏𝟒 pur.
Lors de la formation du composé 𝟏𝟒, l’hydrure de sodium sert à déprotoner l’alkylphosphonate 𝟗.
24. Identifier les deux protons acides de l’alkylphosphonate 𝟗. Justifier.
Le KHMDS (potassium (𝐊) 𝐇exa𝐌ethyl𝐃i𝐒ilazide) de formule CH! !Si !N⊝,K⊕ est l’analogue silylé d’un amidure de potassium R!R!N⊝,K⊕ . Quant à l’éther-18-couronne-6, il a pour structure :
O O O O
O O
25. A quels desseins emploie-t-on le KHMDS et l’éther-18-couronne-6 lors de la formation du composé 𝟏𝟒 ?
26. Nommer le plus précisément possible la relation d’isomérie entre les synthons 𝟏𝟑 et 𝟏𝟒.
Données : Quelques valeurs de constantes de couplage
B. Le méthane
Les questions nécessitant des prises d’initiative avec élaboration d’une démarche de résolution ou d’analyse d’informations sont indiquées par la présence d’une barre verticale.
On se propose de construire les OM du méthane, molécule de géométrie tétraédrique par la méthode des fragments. Les résultats obtenus seront ensuite comparés à l’analyse de la structure électronique de cette molécule par spectroscopie photoélectronique UV (spectroscopie UPS).
Construction des OM du fragment 𝑯𝟒
Le diagramme d’OM de H!tétraédrique est lui-même obtenu par la méthode des fragments, par interaction des OM de deux fragments H!.
x y
z
Hb
Hd Hc
Ha
1. A partir de la représentation donnée ci-dessus, proposer une fragmentation de H4 puis construire, en le justifiant, le diagramme énergétique des OM de H4. On admettra qu’il ne comporte que deux niveaux d’énergie à -16 eV et -11,5 eV. Donner la représentation conventionnelle des OM de H4.
Construction des OM du méthane
Les OM du méthane sont construites par interaction des orbitales des fragments C et H! tétraédrique.
Deux diagrammes énergétiques, correspondant aux mêmes interactions, peuvent a priori être obtenu
3. Dans quel diagramme les interactions entre fragments sont-elles les plus fortes ? 4. Donner la configuration électronique du méthane pour chacun des deux diagrammes.
La spectroscopie UPS permet de mesurer l’énergie de liaison des électrons dans la matière, c’est-à-dire de sonder les niveaux d’énergie occupés. Le spectre UPS expérimental montre deux massifs centrés autour de 12,7 eV et de 23,0 eV.
5. Préciser des deux diagrammes α et β celui qui correspond à celui du méthane, en justifiant la réponse. Le méthane est-il diamagnétique ou paramagnétique ?
6. Que peut-on dire de la description quantique des quatre liaisons C−H du méthane ?
C. Le carbocation éthyle
Le but de ce problème est d’étudier le carbocation éthyle, d’analyser les facteurs de stabilisation supplémentaire de ce cation par rapport au carbocation méthyle afin de comprendre la stabilisation par hyperconjugaison d’espèces déficientes en électrons.
Pour étudier le carbocation éthyle CH3CH2+, la fragmentation la plus simple consiste à le partager en un radical méthyle CH3 et un cation méthylène CH2+. Afin de déterminer la géométrie du carbocation éthyle, deux conformations sont envisagées : l'une dans laquelle le fragment CH2+ se trouve dans le plan yz (Figure a), l'autre dans laquelle ce fragment a tourné de 90 ° et se trouve dans le plan xz (Figure b).
Figure a Figure b
Les orbitales les plus basses en énergie de ces deux fragments sont représentées, à gauche celles de CH3, à droite celles de CH2+ dans la conformation (a). Les positions relatives en énergies des différentes OM sont respectées.
CH3 CH2+
Conformation du carbocation éthyle
1. Représenter les OM de plus basses énergies de CH2+ dans la conformation (b).
2. Quelles sont les interactions à prendre en compte pour construire les OM du cation éthyle en conformation (a) ? On précisera pour chacune d’elles le nombre d’électrons mis en jeu ainsi que leur caractère stabilisant ou déstabilisant.
3. Préciser de même les interactions à prendre en compte pour construire les OM du cation éthyle en conformation (b).
4. Parmi ces interactions, quelles sont celles qui ne sont pas modifiées par le changement de conformation ?
5. Déterminer les interactions qui sont modifiées par le changement de conformation. Etudier ces interactions dans la conformation (a) et dans la conformation (b) puis les comparer.
6. Conclure quant à la géométrie du carbocation éthyle.
Stabilité et géométrie du carbocation éthyle
Une interaction particulière, appelée interaction d’hyperconjugaison, permet d’expliquer la stabilité et la géométrie du carbocation éthyle.
L’interaction d’hyperconjugaison est une interaction de type π entre une orbitale p non liante et une orbitale moléculaire liante entre un carbone et un atome d’hydrogène.
7. Repérer l’interaction d’hyperconjugaison dans les deux conformations (a) et (b) du carbocation éthyle.
8. Montrer que cette interaction stabilise le carbocation éthyle par rapport au carbocation méthyle.
9. Des calculs précis donnent une distance entre les deux atomes de carbone égale à 144 pm, nettement plus courte que la distance entre les deux carbones d’une liaison simple C−C égale à 154 pm.
Interpréter ce résultat.
10. Expliquer d’autre part pourquoi on observe une élongation des liaisons C−H du groupe méthyle.
