Réaction de Diels -Alder
V1-Description à l’échelle macroscopique ; observations
◈Equation bilan :
Exemple de réaction d’addition sur des hydrocarbures insaturés
- Réaction de cycloaddition - Fomation de 2 liaisons C – C
- Double liaison C=C formée , endocyclique - Economie d’atomes
Conditions : initialement activation thermique ( t > 180°C) puis introduction de catalyseurs . Exemples :
◈Les réactifs usuels
►Exemples classiques :
Diènes Diénophiles
Règle d’Alder : la réaction est d’autant plus favorisée ( vitesse d’autant plus grande) que le diène est riche en électrons ( substitué par des groupes électrodonneurs) et que le diénophile est pauvre en électrons ( substitué par des groupes électroattracteurs )
►Conformation réactive du diène : conformation s-cis Pas de réaction de Diels Alder avec les diènes :
Exemple :
A noter : Intérêt des diènes cycliques pour lesquels la conformation s-cis est bloquée
◈caractéristiques : réaction hautement sélective aussi bien en termes de régiosélectivité que de stéréosélectivité ( énantiosélectivité possible en présence de catalyseurs chiraux )
V2-Description à l’échelle microscopique 2a-Description du mécanisme
Aucun intermédiare décelé
Réaction élémentaire via un état de transition
cyclique :
Mécanisme concerté
2b-Interprétation de la réactivité
▪Contrôle cinétique orbitalaire (frontalier)
▪Nature des OF :orbitales moléculaires de type π ( cf annexe )
▪ Méthode à suivre
①Première étape : identifier l’interaction orbitalaire entre OF privilégiée cad rechercher l’écart d’énergie le plus faible pour les deux interactions HO – BV
Exemples :
Butadiène – Ethylène Méthoxybutadiène– Ethylène Butadiène – Anhydride maléique
+
- 9,6 eV + 0,09 eV
-10,7 eV + 1,0 eV
1 2
1-HO(dienophile)-BV(diène)
∆E1
2-HO(diène)– BV (diénophile)
∆E2
1-HO(dienophile)-BV(diène)
∆E1
2-HO(diène)– BV (diénophile)
∆E2
1-HO(dienophile)-BV(diène)
∆E1
2-HO(diène)– BV (diénophile)
∆E2
Observations :
HO BV
+1,0 eV Ethène
-0,2 eV Propénoate de méthyle -1,8 eV Anhydride maléique -3,2eV Tétracyanoéthylène méthoxybutadiène -8,7 eV
1,4-diméthylbutadiène -8,8 eV cyclopentadiène -9,3 eV
butadiène -9,6 eV
L’introduction d’un substituant éléctroattracteur a pour effet d’abaisser le niveau des OF et en particulier de la BV .
L’introduction d’un substituant électrodonneur a pour effet d’augmenter le niveau des OF et en particulier de la HO
Conséquences
-Interprétation de la règle d’Alder
- pour une réaction entre un diène riche en électrons et un diénophile pauvre en électrons , l’intéraction privilégiée est généralement HO (diène ) – BV (diénophile)
Réaction de Diels Alder à demande inverse : réaction pour laquelle l’interaction privilégiée est HO(diénophile)-BV(diène)
② Deuxième étape : analyse du recouvrement pour l’interaction priviléliée .
▪Formation de liaisons C-C de type σ : nécessité d’un recouvrement axial d’où une approche plan sur plan ▪Formation de 2 liaisons C-C de type σ : nécessité de la conformation σ-cis pour le diène.
Remarque : 2 approches plan sur plan possibles : « diène dessus » et « diène dessous »
2c-Caractère renversable de la réaction de Diels –Alder
La réaction de rétro Diels –Alder est favorisée par une température élevée.
Exemple classique : le cyclopentadiène
A température ambiante il se dimérise facilement. Avant de l’utiliser , on procède à une distillation . Interpréter ( Teb = 42° C )
V3-Sélectivité : exceptionnelle ! 3a-Régiosélectivité
▪Observations :
La réaction de Diels –Alder est ortho-para orientatrice
▪Interprétation : recherche du recouvrement maximal entre OF
En première approximation : Une liaison C – C se forme préférentiellement entre les sites associés aux coefficients les plus élevés dans l’expression des OF dont l’interaction est privilégiée .
3b-Stéréosélectivité
1) Stéréospécificité : la stéréochimie des réactifs est conservée lors d’une réaction de Diels Alder
▪Vis-à-vis du diénophile :
Interprétation :
Approche « diène dessus »
ROOC
COOR HH
ROOC
COOR H H
demi espace libre
COOR
COOR
Approche « diène dessus »
Approche « diène dessous » Approche « diène dessous »
▪Vis-à-vis du diène : à compléter
Interprétation :
Approche « diène dessus » Approche « diène dessus »
Approche « diène dessous » Approche « diène dessous »
Remarque : Lors des réactions envisagées , on crée 2 atomes de carbone asymétriques . A priori 4 produits stéréoisomères sont envisageables . La stéréospécificité de la réaction permet de n’en obtenir au maximum que 2 (énantiomères).
2) Stéréosélectivité ENDO
2a-Position du problème : On envisage uen réaction de Diels –Alder entre un diène et un diénophile tous deux dissymétriques . R1CH=CH-CH=CHR2 et R3CH=CHR4
Quel est le nombre total de produits possibles (en l’absence de toute considération sur la régiosélectivité et sur la stéréochimie sur les réactifs ) ?
On se limite dans la suite aux produits majoritaires suite à la régiosélectivité qui conduit à une liaison C(R1)-C(R3)
Que devient le nombre de produits possibles si on tient compte en plus de la stéréochimie des réactifs ? A titre d’exemple , indiquez la formule et la stéréochimie des produits envisageables pour le diène (E,E) et le dienophile Z
En pratique , on obtient majoritairement les produits énantiomères suivants :
Comment qualifier la stéréosélectivité observée ?
Exemple classique : diènes cycliques
Approche ENDO Approche EXO
2b-Interprétation : la sélectivité ENDO peut s’interpréter par l’existence d’interactions secondaires liantes entre orbitales frontalières
Exemple
Après traitement, on isole deux couples d'énantiomères dans un rapport 95/5. Les composés résultant d'une attaque endo sont majoritaires.
1.Compléter l’équation bilan en indiquant la formule plane des cycloadduits .
2. Montrer que l'action de l’ acide de Lewis sur le diénophile consiste entre autre à bloquer la rotation du groupe X.
3.Représenter les approches ENDO et EXO . Faire apparaitre les interactions favorisant l’approche ENDO . On donne la représentation des orbitales frontalières des réactifs .
Approche ENDO : Approche EXO :
Attaque ENDO ; diène dessus Attaque ENDO ; diène dessous Me
O X
HO BV
Me O
X
Me
O X
Me
O X
Me O
X
O X
Me Me
O X
R
S R
S
2c-Remarques :
L’obtention majoritaire du produit ENDO n’est observée que sous contrôle cinétique . Sous contrôle thermodynamique , le produit EXO devient majoritaire .
V4 Compléments
4a- Variations autour des réactifs
▪Possibilité de réaction intramoléculaire :
Exemple 1 Exemple 2
▪Utilisation d’un alcyne comme diénophile Exemple : synthèse de l’aldrin , insecticide.
Cl
Cl
Cl
Cl Cl
Cl + Cl Cl
Cl
Cl Cl Cl
H
H
Aldrin
+
▪ Réaction d’hétéro Diels Alder
Au moins une double liaison ( du diène ou du diénophile) comporte un hétéroatome : O ou N Exemples :
OSiMe3 + N
C H Ph Ph
OSiMe3
N H
Ph H Ph
OSiMe3
N
H H
Ph Ph
- 40° C , 15 minutes 84 16 20°C , 90 minutes 5 95
AlCl3, 1eq
4b- Encore plus de stéréosélectivité …
L’introduction d’acide de Lewis pour catalyser la réaction de Diels –Alder a permis de réaliser des réactions énantiosélective :
Cat* : thio urée chirale
Réaction précédente , page 6 -7
On effectue la même réaction en utilisant le groupe X* représenté ci-contre
Le couple de composés majoritaires obtenu précédemment donne un solide cristallin B (de température de fusion 96-98°C) . B est transformé en C où le groupe X est remplacé par un groupe hydroxyle . Le mélange C présente un pouvoir rotatoire , évalué à [α]D22 = +45,9° , alors que le composé pur a un pouvoir rotatoire spécifique [α]D22 = + 46,8° dans les mêmes conditions.
Interprétation : on observe sélectivement la formation d’un stéréoisomère endo . La pureté énantiomérique vaut
[ ] [ ]+
−
+
+
−
−
+
= α
= α e.e.
soit C C
C C
e.e. Numériquement : ee = 45,9 / 46,8 = 0,98 ou 98 %.
Les deux approches « diène dessus » et « diène dessous » ne sont plus équiprobables , celle qui est privilégiée est celle pour laquelle le diène approche préférentiellement du coté opposé à celui du méthyl du groupe X* .
Conclusion : la réaction de Diels Alder est un puissant outil en synthèse organique pour la formation de cycles à 6
Me
O
X*
Me O
X*
1 2 3 4
5 6 7
Annexe : Orbitales frontalières de divers diènes et dienophiles Energies (eV) et représentations
Butadiène Méhoxybutadiène Cyclopentadiène
BV
+0,09 eV +0,30 eV + 0,33 eV
HO
-9,6 eV -8,7 eV - 9,3 eV
Ethène Acrylate de méthyle TCNE Anhydride maléique
CH2= CH2
BV
+ 1,0 eV - 0,2 eV -3,2 eV -1,8 eV
ou
HO -
10,7 eV -10,9 eV -12,1 eV -11,5 eV
ou
