Composés conjugués

Composs conjugus

http://www.faidherbe.org/site/cours/dupuis/conjug2.htm[3/27/12 10:34:07 PM]

Introduction

Dfinitions

Dines importants

Spectroscopie

Infrarouge

Ultraviolet

Systmes allyliques

Introduction

Cations allyliques

Mcanisme SN2'

Anions allyliques

Radicaux allyliques

Mthode de Hckel

Dines conjugus

Rsultats exprimentaux

Mthode de Hckel

Energie de rsonance lectronique

Enthalpie d'hydrognation

Addition des hydracides

Ractions de Diels-Alder

Introduction

Proprits gnrales

Raction de rtro Diels-Alder

Interprtation orbitalaire

Aspect cintique

Rgioslectivit

Strospcificit

Synthse du cubane

Addition de l'oxygne singulet

Polymrisation

Polymrisation du butadine

Polymrisation de l'isoprne

a-nones

Exemples d'a-nones

Structure lectronique

Spectroscopie

Composs organomtalliques

Addition de Michal

Annlation de Robinson

Bibliographie

Cours de chimie Organique - G. Dupuis - Lyce Faidherbe de Lille

Systmes conjugus

Introduction

DfinitionsIl y a plusieurs dfinitions possibles d'un systme conjugu. Nous utiliserons la suivante : on appelle systme conjugu, unensemble d'atomes ayant des orbitales atomiques pouvant se recouvrir latralement et permettant de fortes interactionslectroniques entre au moins trois atomes contigus [15], [17]. Les systmes conjugus ont une ractivit originale car ladlocalisation entrane une certaine ambigut dans la rpartition lectronique. Dans les exemples suivants, le systme estreprsent par des formes msomres limites :

systmes p s p : cette catgorie appartiennent les dines conjugus dont le reprsentant le plus simple est le buta-1, 3-dine ;

les a-nones sont aussi des systmes de ce type.

systmes n s p : dans cette catgorie, on trouve par exemple les nols et les nolates de composs carbonyls.

systmes p s v : comme exemple de tels systmes nous prendrons celui du cation prop-2-nyle appel de faon courantecation allyle.

systmes n s v : le recouvrement des orbitales ne concerne que deux atomes, on ne peut plus vraiment parler de systmesconjugus.

La dlocalisation lectronique explique la plus grande stabilit des carbocations possdant un htroatome en a parrapport aux carbocations ordinaires. Tout htroatome possdant un doublet non liant dcrit par une orbitale de gomtrieadquate peut convenir. Les ions acylium en constituent un exemple :

En revanche deux des composs ci-dessous, comportent deux liaisons doubles mais ne sont pas des systmes conjugus.

non conjugu conjugu non conjugu

Composs conjugus


Ouvrages exprimentaux

Liens

Ouvrages thoriques

Lorsque deux liaisons doubles partent du mme atome de carbone il s'agit d'un dine cummul ou allne. Les recouvrementsdes orbitales p s'effectuent dans des plans perpendiculaires. En consquence, les allnes dissymtriques prsentent lephnomne de chiralit axiale et peuvent tre ddoubls en nantiomres.

Les hydrocarbures aromatiques sont des polynes conjugus cycliques ou [p]-annulnes rpondant des critres particuliers. Ilsfont l'objet d'un chapitre spcifique.

Quelques dines conjugus importants

Le buta-1, 3-dine est le plus simple des dines conjugus.Dans l'industrie, on le prpare par dshydrognation du butaneou par celle du du but-1-ne.

Le systme d'lectrons p de la molcule de buta-1, 3-dinepeut tre tudi par la mthode de Hckel. La structure de lamolcule est tudie plus bas.

L'isoprne est le 2-mthylbuta-1, 3-dine. Il constitue le motifde base formel des terpnes. La polymrisationstrocontrle de l'isoprne permet la prparation dupolyisoprne de strochimie cis dont la structure est la mmeque celle du caoutchouc naturel

Spectroscopie

Domaine ultraviolet-visibleLe spectre ci-dessous est celui du penta-1, 3-dine. Il est typique d'un spectre de dine. On observe une bande large dont lemaximum d'absorption est voisin de 225 nm.

Quand la taille du systme conjugu croit, on assiste une augmentation de la longueur d'onde du maximum d'absorption. Ceteffet porte le nom d'effet bathochrome. Lorsque le nombre de double liaisons conjugues est assez lev, la molcule absorbe lalumire dans la partie visible du spectre. Le compos prsente alors la couleur complmentaire de celle qui est absorbe. C'estainsi que le b-carotne dont la molcule possde 11 doubles liaisons conjugues, absorbe la lumire bleue. Il a une couleurorange.

Composs lM (nm) log e

thne 162,5 3,94

buta-1, 3-dine 217 4,32

hexa-1, 3, 5-trine 247 4,53

La premire transition p p* s'effectue entre la plus haute orbitale molculaire occupe (HO) et la plus basse orbitalemolculaire vacante (BV). En vertu de la relation :

DE = h.c/l

Plus la diffrence d'nergie est grande, plus la longueur d'onde du maximum d'absorption est faible et plus le nombre d'onde de

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cette transition est lev. La mthode de Hckel dans sa version la plus simple permet de rendre compte de ce phnomne. Ilexiste une corrlation trs nette entre le nombre d'onde du maximum d'absorption mesur et la diffrence d'nergie entre la plushaute orbitale molculaire occupe (HO) et la plus basse vacante (BV) calcules selon la mthode de Hckel, exprime ici enunits b.

Rgles de Woodward-FieserCes rgles permettent la prvision de la longueur d'onde du maximum d'absorption des dines conjugus. Le tableau ci-dessousdonne quelques valeurs caractristiques dans le solvant thanol mais elles sont pratiquement insensibles l'influence dusolvant.Pour calculer une longueur d'onde au moyen de cette mthode, on commence par considrer une structure de base :

Structure de base

l de base (nm) 214 253

Selon la nature du substituant sur cette structure de base, diffrents incrments sont ajouts :

Substituant Quantit ajouter par substituant (nm)

double liaison conjuguedouble liaison exocycliquealkyle, reste de cycle-NR1R2-RO-Cl, -Br

30556065

considrons titre d'exemple la molcule d'ergostrol prcurseur de la provitamine D2 :

base4 groupes alkyles : a, b, g, d2 doubles liaisons exocycliques

253 nm20 nm10 nm

lM (calcule) 283 nm

on trouvera d'autres exemples la rfrence [29].

InfrarougeLa conjugaison, par le relchement de la force des liaisons multiples qu'elle entrane, se traduit par une diminution des nombresd'onde des absorptions des principaux vibrateurs de l'ordre de 20 cm-1.

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Systmes allyliques

IntroductionLes composs contenant le groupe prop-2-nyle sont appels traditionnellement composs allyliques.

Le 1-bromo-prop-2-nyle ou bromure d'allyle peut tre prpar parbromation allylique du propne par le N-bromosuccinimide (NBS).

De nombreux composs structure allyliques sont connus. Les plus courants sont les halognures et les alcools. Le rtinol estun alcool allylique qui joue un rle important dans la chimie de la vision. L'oxydation des alcools allyliques conduit aux a-nones.

Cations allyliquesLorsqu'on effectue la solvolyse du 3-chlorobut-1-ne ou chlorure d'a-mthylallyle par un mlange eau-dioxane, on observe quela raction est du premier ordre par rapport l'halognure. On obtient deux alcools I et II. I est le produit de substitutionnormalement attendu dans ce type de raction tandis que II possde une structure dans laquelle le squelette carbon a subi unetransposition.

Ces rsultats s'interprtent par la formation d'un cation allylique dans lequel la densit lectronique est rpartie sur trois atomesde carbone contigus. La structure originale de ce systme conjugu peut tre dcrite par la mthode de la msomrie ou mieuxpar celle des orbitales molculaires.

Le carbocation allylique C ragit ensuite avec le nuclophile pour donner les produits observs :

le premier est le produit d'addition normal ;

le second correspond un produit dans lequel la chane carbone a t modifie. La substitution s'est accompagne d'unrarrangement des liaisons. C'est un exemple d'une raction gnrale : la transposition allylique.

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De part leur aptitude former facilement des carbocations allyliques, les halognures de cette famille sont particulirementractifs vis vis des ractions de substitution et constituent des substrats utiles en synthse. La rupture facile de la liaison entrel'atome de carbone et l'halogne constitue une manifestation de la mobilit allylique.

Mcanisme SN2'Si l'on traite le 3-chlorobut-1-ne ou chlorure de a-mthylallyle par la trithylamine, on constate que la raction possde unordre global gal deux : premier ordre par rapport la trithylamine et premier ordre par rapport au substrat. Cette loicintique ne peut pas s'expliquer par un mcanisme SN1. On obtient 15 % de I et environ 85 % de II. On interprte ces rsultatspar le fait que I est le produit de substitution SN2 normal (substitution sur le C2) tandis que II correspond une raction dunuclophile sur le C4 qui implique une transposition.

Ce mcanisme particulier est not SN2' pour marquer sa parent avec un mcanisme bimolculaire SN2 "classique" mais ils'accompagne ici d'une transposition. On dit qu'il y a eu renversement de la structure.

Un autre exemple est la raction entre un organocuprate lithien et un compos allylique par une raction de substitution demcanisme SN2'.

Anions allyliquesOn observe une diminution de 10 units de pKa pour le couple acido-basique quand on passe du propane (pKa = 50) aupropne (pKa = 40). Autrement dit, le propne est environ dix milliards de fois plus acide que le propane.

Cet accroissement d'acidit spectaculaire s'explique par l'intervention d'un anion allylique dans le premier cas. Cet anion estbeaucoup plus stable qu'un carbanion ordinaire, du fait de la conjugaison lectronique, dont on peut rendre compte au moyende la mthode de la msomrie, ou mieux, de la mthode des orbitales molculaires :

Radicaux allyliquesL'originalit de la structure allylique se manifeste galement dans certaines ractions radicalaires. Le N-bromosuccinimide estun ractif permettant la bromation en a de la double liaison des composs thylniques. Il libre de trs faibles quantits debrome, rendant ainsi ngligeable la raction concurrente d'addition. Cette raction de bromation allylique est initie par lalumire ou par des peroxydes servant d'initiateurs.

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C'est une raction particulirement utile car elle permet d'accder aux drivs halogns allyliques qui constituent des substratstrs ractifs comme on l'a dja signal.

La mthode de Hckel applique au systmes allyliquesLa mthode de Hckel simple (HMO) constitue une approximation de la thorie des orbitales molculaires. Le principe decette thorie a t rappel dans un chapitre particulier.Rappelons que les approximations conduisent prendre :

les intgrales coulombiennes Hmm gales pour des atomes identiques, par exemple deux atomes de carbone ;les intgrales de rsonance (intgrales d'change) Hmn gales entre atomes lis, nulles dans le cas contraire ;les intgrales de recouvrement Smn nulles entre atomes diffrents, tandis que Smm = 1 car les orbitales atomiques sontnormalises.

Ces approximations sont rsumes, avec les notations usuelles, dans le tableau ci-dessous :

Hmm Hmn Hmn Smn

a b (atomes lis) 0 (atomes non lis) dmn

Dans la mthode LCAO, les orbitales molculaires ji, sont recherches comme des combinaisons linaires d'orbitalesatomiques cm.

le systme des quations sculaires s'crit :

ce systme homogne ne possde des solutions non toutes nulles que si :

on pose en gnral :xi = (a - Ei)/b

Passons l'tude du systme allylique. Sur la forme limite du schma ci-dessous, l'atome 3 peut tre affect de 0, 1 ou 2lectrons. La rsolution du systme d'quations est la mme pour tous les systmes allyliques car la mthode HMO ne faitintervenir que la position des atomes.

Les atomes de carbone et d'hydrogne sont situs dans un mme plan. Lesystme prsente deux plans de symtrie :

le plan contenant tous les atomes (xOy). Les orbitales p changent designe dans la rflexion par rapport ce plan ;le plan (yOz), bissecteur de l'angle entre les liaisons C-C, not P dansla suite. Les orbitales p sont symtriques (S) ou antisymtriques (A)par rapport ce plan.

On va tudier le cas des systmes suivants :

cation radical anion

On obtient un systme de trois quations pour chaque valeur de l'nergie Ei :

(1) Ci1.xi + Ci2 = 0(2) Ci1 + Ci2.xi + Ci3 = 0(3) Ci2 + Ci3.xi = 0

Le dterminant sculaire s'crit :(xi2 - 2).xi = 0il y a trois solutions, qui correspondent trois valeurs de l'nergie, repres par : i = 1, i = 2, i = 3 : x1 = - 1,41 ; x2 = 0 ; x3 =

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1,41

x1 = -1,41 ; le systme s'crit :-1,41 C11 + C12 = 0C11 - 1,41 C12 + C13 = 0C12 - 1,41 C13 = 0

la condition de normalisation se traduit par : C112 + C122 + C132 = 1d'o : C11 = C13 = 0,5 ; C12 = 0,71x2 = 0 ; le systme se rduit deux quations :

C22 = 0C21 + C23 = 0

la condition de normalisation se traduit par : C212 + C232 = 1d'o : C21 = -C23 = 0,71x1 = 1,41 ; le systme s'crit :

1,41 C31 + C32 = 0C31 + 1,41 C32 + C33 = 0C32 + 1,41 C33 = 0

la condition de normalisation se traduit par : C312 + C322 + C332 = 1d'o : C31 = C33 = 0,5 ; C32 = -0,71

les valeurs des coefficients des orbitales molculaires normalises sont rsums dans le tableau suivant :

Energie Ci1 Ci2 Ci3

E3 = a - 1,41b 0,5 - 0,71 0,5

E2 = a 0,71 0 - 0,71

E1 = a + 1,41b 0,5 0,71 0,5

les orbitales molculaires ainsi que leur occupation dans le cas du cation allyle sont reprsentes ci-dessous :

Diagramme des orbitales molculaires normalises du systme p ducation allyle. Les orbitales p sont symtriques (S) ou antisymtriques (A)par rapport au plan P. Par nergie croissante, ces fonctions possdentrespectivement 0, 1, 2 nuds (point noir)

l'occupation des niveaux d'nergie pour les diffrents systmes allyliques est donne ci-dessous :

Occupation des orbitales molculaires p des systmes allyliques : cation,radical, anion. Dans le cas du radical, la plus haute orbitale molculaireoccupe est appele SOMO (single occupied molecular orbital).

Dans la mthode HMO, les intgrales de recouvrement entre atomes diffrents sont toutes nulles. Pour caractriser la

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population de recouvrement, C. A. Coulson a propos d'introduire la notion d'indice de liaison p :

ni est le nombre d'lectrons (0, 1, 2) dcrits par l'orbitale molculaire ji. La somme est tendue aux M orbitales occupes. Lesrsultats pour les systmes prcdents sont les suivants :

Indice de liaison P12 P23 P13

cation 0,71 0,71 0,5

radical 0,71 0,71 0

anion 0,71 0,71 -0,5

Dans le cas du cation, on note une valeur non ngligeable de P13. On peut l'interprter comme un tmoignage de la formationpossible d'un ion cyclopropnium.

Cet ion aromatique a t prpar par R. Breslow en 1967.

Dines conjugus

Rsultats exprimentauxLorsqu'on s'intresse aux distances interatomiques dans l'thne, le buta-1, 3-dine et l'thane, on obtient les rsultats suivants :

Compos Ethne Buta-1,3-dine Ethane

Distanceinteratomique

d(C1C2) = 0,134nm

d (C2C3) = 0,148nm

d (C1C2) = 0,154nm

La longueur de la liaison entre les atomes de carbone C2 et C3 dans la molcule de butadine est donc intermdiaire entrecelles observes dans l'thne et dans l'thane.

L'exprience montre que les conformations privilgies de la molcule de buta-1, 3-dine sont celles pour lesquelles les atomessont dans un mme plan. Il existe deux conformations planes appeles s-trans (I) et s-cis(II).

La diffrence d'nergie entre ces deux conformations peut tre value. La conformation s-trans est plus stable d'environ 12kJ.mol-1 que la s-cis, tandis que l'nergie d'activation pour passer de l'une l'autre est d'environ 16 kJ.mol-1. A la tempratureordinaire, la plupart des molcules de buta-1, 3-dine sont sous la forme s-trans.

L'tude des ractions d'hydrognation et d'addition des hydracides, montre que la molcule de buta-1, 3-dine possde uneractivit originale par rapport un compos thylnique ordinaire.Ces rsultats s'interprtent en utilisant la mthode de la msomrie. La molcule peut-tre considre comme un hybride desformes limites suivantes :

La forme possdant le plus grand poids statistique est la forme 1. La forme 2 indique que dans la molcule relle, il existe uncertain caractre de liaison double entre les atomes C2 et C3.Nous allons maintenant utiliser une approche plus fine de la ralit grce la mthode des orbitales molculaires.

Mthode de Hckel applique au buta-1, 3-dineLes principes de la mthode de Hckel ont t rappels plus haut. La solution du problme est facilite lorsqu'on considre lessymtries de la molcule.

Les atomes de carbone et d'hydrogne sont situs dans un mme plan. Dans laconformation s-cis, la molcule prsente deux plans de symtrie :

le plan contenant tous les atomes (xOy). Les orbitales p changent designe dans la rflexion par rapport ce plan ;le plan (yOz), perpendiculaire la liaison C2- C3, not P dans la suite.Les orbitales p sont symtriques (S) ou antisymtriques (A) par

Composs conjugus


rapport ce plan.

Le calcul conduit aux systme de quatre quations ci-dessous :

(1) Ci1.xi + Ci2 = 0(2) Ci1 + Ci2.xi + Ci3 = 0(3) Ci2 + Ci3.xi + Ci4 = 0(4) Ci3 + Ci4.xi = 0

Les solutions de ce systme refltent la symtrie molculaire. Elles sont symtriques ou bien antisymtriques par rapport auplan P. On peut, ds lors, les classer en deux groupes :

solutions symtriques : Ci1 = Ci4 ; Ci2 = Ci3 le systme d'quations s'crit :

Ci1.xi + Ci2 = 0Ci1 + Ci2.(xi + 1) = 0

dont le dterminant est : (xi + 1).xi - 1 = 0 ; xi2 + xi - 1 = 0il y a deux solutions repres par i = 1 et i = 3 : x1 = - 1,62 ; x3 = 0,62 solutions antisymtriques : Ci1 = - Ci4 ; Ci2 = - Ci3 le systme d'quations s'crit :

Ci1.xi + Ci2 = 0Ci1 + Ci2.(xi - 1) = 0

dont le dterminant est : (xi - 1).xi - 1 = 0 ; xi2 - xi - 1 = 0il y a deux solutions repres par i = 2 et i = 4 : x2 = - 0,62 ; x4 = 1,62

Les coefficients des orbitales molculaires et les nergies des niveaux correspondants sont regroups dans le tableau suivant :

Energie Ci1 Ci2 Ci3 Ci4

E4 = a - 1,62b 0,37 -0,60 0,60 -0,37

E3 = a - 0,62b 0,60 -0,37 -0,37 0,60

E2 = a + 0,62b 0,60 0,37 -0,37 -0,60

E1 = a + 1,62b 0,37 0,60 0,60 0,37

Les reprsentations des orbitales molculaires du systme P du buta-1, 3-dine sont donnes ci-dessous :

Diagramme des orbitales molculaires du systme p du buta-1, 3-dine. Les orbitales p sontsymtriques (S) ou bien antisymtriques (A) par rapport au plan P mdiateur de la liaison C2-C3. Uneautre caractristique importante des fonctions d'onde est le nombre de nuds (ou point nodal) qu'elleprsentent, c'est dire de points o la fonction s'annule en changeant de signe. Par nergie croissante,ces fonctions possdent respectivement 0, 1, 2, 3 nuds (point noir). On note que le nombre de nudscrot de une unit quand on passe d'une om la suivante (rgle gnrale).

Pour caractriser la population de recouvrement, nous avons vu plus haut qu'on introduit la notion d'indice de liaison p :

Composs conjugus


La somme est tendue aux M orbitales occupes. De nombreuses formules semi-empiriques ont t proposes pour relier la distance internuclaire Rmn l'indice de liaison p :Pmn. En voici une :

Lorsque Pmn augmente, Rmn diminue. Pmn est un indicateur de la "force" de la liaison. A partir des coefficients des orbitalesmolculaires calculs plus haut, on obtient les rsultats suivants :

Liaisons C1C2 C2C3

Pmn 0,89 0,45

Rmn (nm) 0,136 0,145

La valeur de 0,45 pour l'indice de liaison p entre les atomes de carbone C2 et C3, tmoigne d'un recouvrement important entreles orbitales p de ces atomes. Cela correspond un caractre partiel de liaison double dja voqu dans la mthode de lamsomrie. Les valeurs calcules des longueurs de liaison sont en bon accord avec les valeurs exprimentales.

Energie de dlocalisation lectroniqueComme le montre le bilan nergtique de la raction d'hydrognation, un systme conjugu comme le buta-1, 3-dine est plusstable qu'un systme qui serait constitu de 2 doubles liaisons thylniques isoles. Pour chiffrer l'importance de la conjugaisonsur la stabilit de la structure, on introduit la notion d'nergie de rsonance lectronique. C'est par dfinition, la diffrence entrel'nergie du systme p et l'nergie de deux doubles liaisons non conjugues modlises par des molcules d'thne :

Ed = Ep - EEEp = 2(a + 1,62b) + 2(a + 0,62b) ; Ep = 4a + 4,48bEE = 2(a + b)Ed = 0,48bEd < 0

Cela correspond bien une stabilisation du systme conjugu par rapport un systme constitu des liaisons non conjugues.L'nergie de dlocalisation lectronique est une grandeur microscopique.

Energie de rsonance

Enthalpie d'hydrognationL'hydrognation catalytique du buta-1, 3-dine conduit au butane. Cette raction n'a pas d'intrt pratique mais elle est utilepour estimer le gain de stabilit d la conjugaison dans la molcule de buta-1, 3-dine par rapport une structure nonconjugue.

L'hydrognation du buta-1, 3-dine dgage unenergie de -239 kJ.mol-1.

Celle du but-1-ne dgage -127 kJ.mol-1 . On endduit que l'hydrognation du but-2-ne deuxdoubles liaisons isoles fournirait :

2 (-127) = -254 kJ.mol-1

L'nergie de rsonance est la diffrence entrel'nergie de buta-1, 3-dine (hypothtique) et cellede la molcule de butadine relle. C'est unegrandeur positive par dfinition.

ER = 254 - 239

ER = 15 kJ.mol-1

Cette quantit est une mesure de l'accroissement destabilit qu'acquiert la molcule de buta-1, 3-dinedu fait de son caractre conjugu.

Addition des hydracidesla raction d'addition du bromure d'hydrogne HBr sur le buta-1, 3-dine donne deux drivs broms isomres : le 3-bromobut-1-ne (1) et le 1-bromobut-2-ne (2). On les appelle traditionnellement produit d'addition 1, 2 et produit d'addition1, 4.

Composs conjugus


Ces rsultats s'interprtent par la formation d'un intermdiaire commun qui est un cation allylique :

l'addition de l'ion bromure peut s'effectuer sur l'atome de carbone 2 pour conduire au compos P1 ou produit d'addition 1,2 ;

elle peut aussi s'effectuer sur l'atome de carbone 4 pour donner le compos P2 ou produit d'addition 1, 4.

Les pourcentages de produits obtenus dpendent du type de contrle de la raction.

Une tude plus dtaille de la raction de bromation du buta-1, 3-dine, montre que selon la valeur de la temprature, lespourcentages des drivs sont diffrents. Voici quelques rsultats exprimentaux :

Temprature 0 C 40 C

P1 90 % 10 %

P2 15 % 85 %

On peut ainsi, en choisissant convenablement la valeur de T obtenir prfrentiellement un compos ou son isomre :

la temprature de 0 C, la raction est sous contrle cintique. Le produit majoritaire est le plus rapidement form.C'est P1 car l'tat de transition qui y conduit est celui qui possde l'enthalpie libre molaire d'activation la plus basse ; temprature plus leve, la raction passe sous contrle thermodynamique. Les produits P1 et P2 sont alors en quilibrevia le carbocation allylique I. Le produit majoritaire est alors le plus stable. C'est P2 car DrG 2* < DrG 1*.

Ces rsultats sont regroups sur le diagramme nergtique ci-dessous :

Composs conjugus


En vertu du principe de rversibilit microscopique, le chauffage du compos P1 doit conduire son isomrisation en P2 enempruntant le chemin ractionnel inverse de celui qui a conduit sa formation. C'est bien ce qu'on observe exprimentalement.

Raction de Diels-Alder

IntroductionLorsqu'on chauffe un mlange d'thne et de butadine 200 C, on obtient un mlange de cyclohexne et de 4-vinylcyclohexne. La transformation s'interprte par deux ractions :

la premire fournit du cyclohexne ;

la seconde conduit au 4-vinylcyclohexne qui est le produit majoritaire.

L'exprience, ralise par O. Diels et son lve K. Alder en 1928, constitue un exemple d'une raction de cycloaddition entre undine et un compos thylnique appel philodine, qui s'effectue selon une voie thermique. Elle porte le nom de raction deDiels-Alder en souvenir de ses auteurs qui ont obtenu le prix Nobel en 1950 pour cette dcouverte [31].L'importance de la raction de Diels-Alder vient du fait qu'elle est gnralisable aux alcnes et aux dines fonctionnaliss. Onpeut ainsi accder aux cyclohexnes substitus qui constituent une partie du squelette de nombreuses molcules complexes. Unexemple est celui de plusieurs synthses de la molcule de cantharidine pour lesquelles la raction de Diels-Alder constituel'tape cl.

Cette raction a fait l'objet d'un nombre considrable d'tudes tant d'un point de vue exprimental que thorique. La raction deDiels-Alder a trouv une interprtation particulirement lgante dans la thorie de la conservation de la symtrie des orbitalesdveloppe par les chimistes amricains R. B. Woodward et R. Hoffmann que ces derniers ont mise en vidence dans l'tudedes ractions lectrocycliques [19], [35] au cours de la synthse de la vitamine B12 [34]. La raction de Diels-Alder constitueaussi un bel exemple du rle jou par les orbitales frontires des ractifs, thorie dveloppe par le chimiste japonais K. Fukui.Ce dernier et R. Hoffmann se sont partags le prix Nobel de chimie en 1981 [32].

Proprits gnralesLa raction est facilite si l'un des partenaires (gnralement le philodine) porte un ou plusieurs groupes attracteurs d'lectrons.Par exemple avec un nitroalcne comme dinophile.

Notons que les nitro-alcnes peuvent tre assez facilement obtenus par dshydratation des b-nitro-alcools obtenus par laraction nitro-aldol (raction de Henry). Le ttracyanothylne (TCNE) est l'un des meilleurs philodines connus.

Composs conjugus


Elle est galement facilite si l'un des partenaires (gnralement le dine) porte des groupes donneurs d'lectrons.

Dans ces ractions, le dine ragit dans la conformation s-cis (II) bien que celle-ci soit moins stable que la conformation s-trans (I). En effet, le passage d'une conformation l'autre ne ncessitant qu'une faible nergie, le principe de Curtin-Hammettindique que le pourcentage de produit n'est pas dtermin par le rapport des populations des conformations.

La consommation du dine par la raction d'addition, permet le dplacement de l'quilibre d'isomrisation.Les dines cycliques comme le cyclopentadine possdent des doubles liaisons dans une configuration Z favorable et ilsragissent gnralement plus rapidement que leurs homologues acycliques.

Le benzyne constitue un bon dinophile dans les ractions de Diels-Alder.

Dans une raction de dimrisation, l'une des molcules joue le rle de dine tandis que l'autre joue le rle de dinophile. Nousavons dja cit la synthse du 4-vinylcyclohexne et celle du dicyclopentadine. La raction suivante, qui conduit au mlangeracmique des R et S limonnes, constitue un autre exemple. Le dine possde la conformation s-cis tandis que le dinophile aune conformation s-trans.

L'anthracne donne une raction de Diels-Alder avec le TCNE.

Les quinones sont de bons dinophiles dans les ractions de Diels-Alder et elles ont t utilises dans les premires synthsesde strodes.

La raction peut tre utilise pour synthtiser certains htrocycles. L'exemple suivant concerne une prparation dudihydropyrane (DHP) : un ther d'nol.

La raction peut galement avoir lieu de faon intramolculaire. En voici un exemple, extrait d'une synthse rcente [28] :

Comme on le verra en dtail un peu plus loin, la raction de Diels-Alder est une raction strospcifique. Cettestrospcificit s'exprime la fois par rapport au dine et par rapport au dinophile. La gomtrie de l'addition est syn.

Composs conjugus


Raction de rtro Diels-AlderLa raction intermolculaire est renversable. Elle est en effet exothermique (2 liaisons p sont remplaces par deux liaisons s) etelle a une entropie de raction ngative (tat initial plus dsordonn que l'tat final). Ainsi, lorsqu'on lve la temprature, il estpossible d'observer la raction inverse au del de la temprature d'inversion de l'quilibre. Celle-ci est appele rtro Diels-Alder.

Le cyclopentadine peut tre prpar par craquage thermique dudicyclopentadine 150 C. Cette raction intervient dans la synthsedu ferrocne [3].

Ce caractre renversable de la raction de Diels-Alder, explique l'chec de la synthse de la cantharidine par raction entre lefurane et un driv dimthyl de l'anhydride malique.

Interprtation orbitalaireL'addition entre le butadine et l'thne ne peut pas s'interprter par un contrle de charge car les ractifs impliqus sontlectriquement neutres. Par ailleurs, l'exprience montre que la raction est concerte c'est dire que des liaisons sont rompueset d'autres reformes sans qu'il y ait passage par un compos intermdiaire. Woodward et Hoffmann ont propos d'appelerpricycliques les ractions concertes dans lesquelles les liaisons sont formes et rompues dans un tat de transition cyclique[24]. La raction de Diels-Alder appartient cette catgorie.Il s'agit ici plus prcisment d'une cycloaddition mettant en jeu 4 lectrons pour le premier ractif et 2 pour le second c'estpourquoi on l'appelle cycloaddition [4 + 2].

Les liaisons sont formes au cours d'un processus dans lequel l'approche des atomes du dinophile s'effectue du mme ct d'unplan du dine. On dit de ce processus, qu'il est suprafacial pour chaque atome ou encore supra/supra. Ce type de raction estappel [4s + 2s]. Cette approche des atomes permet d'expliquer la strospcificit de la raction. On trouvera sur le site [30],de remarquables simulations permettant de visualiser le mode d'approche des ractifs. Le diagramme ci-dessous montre lesinteractions entre les orbitales frontires du buta-1, 3-dine et de l'thne. Les recouvrements s'effectuent entre les orbitales desatomes situs aux extrmits des molcules. Ils impliquent les lobes de mme signe ce qui se traduit sur le diagramme par unemme couleur.

Diagramme montrant l'interaction entre les orbitales frontires du butadine et de l'thylne dans la ractionde Diels-Alder.

Aspect cintiqueExprimentalement, on constate que la constante de vitesse de la raction croit lorsque l'un des partenaires est appauvri enlectrons tandis que l'autre est au contraire enrichi en lectrons. Le tableau ci-dessous regroupe quelques valeurs de laconstante de vitesse pour la raction suivante entre le cyclopentadine et l'acrylonitrile.

Composs conjugus


Dinophile

k 1 45,5103 48,0104 43,0106

Ces rsultats s'interprtent dans le cadre d'un contrle cintique de la raction si l'on admet que celle-ci fait intervenirl'interaction entre la HO et la BV les plus proches en nergie.

Examinons l'influence de la substitution sur les interactions entre HO et BV pour deux systmes respectivement non substitu etsubstitu.Dans les diagrammes ci-dessous, (I) est substitu par un groupe donneur d'lectrons tandis que (II) est substitu par un groupeattracteur :

Systme non substitu : les diffrences entre lesniveaux d'nergie des orbitales frontires desmolcules (I) et (II) sont les mmes.

Systme substitu : l'nergie de la HO de (I) estreleve ; celle de la BV de (II) est abaisse. L'cartle plus faible entre les orbitales frontires met en jeula HO de (I) et la BV de (II).

Dans l'exemple ci-dessous, l'influence de la substitution sur les niveaux d'nergie de la HO du dine et la BV du dinophilepeut tre value simplement au moyen de la mthode de Hckel.

Influence de la substitution du buta-1, 3-dine pardeux groupes mthyle en 2 et 3 sur le niveau de laHO.

Influence de la substitution de l'thne par deuxgroupes cyano sur le niveau de la BV.

Plus gnralement, l'interaction prdominante entre les orbitales frontires fait intervenir la plus petite diffrence d'nergie entrela HO de l'un des partenaires et la BV de l'autre. Cela peut correspondre deux situations :

la plupart du temps, l'interaction prdominante est celle qui implique la HO du dine et la BV du dinophile. La ractionest dite demande lectronique normale.Dans l'exemple ci-dessous, les nergies de la HO et de la BV sont obtenus par la mthode de Hckel ;

Composs conjugus


on connat des exemples dans lesquels l'interaction prdominante a lieu entre la HO du dinophile et la BV du dine. Ils'agit de ractions demande lectronique inverse.

RgioslectivitLorsque le dine et le dinophile ne sont pas substitus de manire symtrique, deux adduits peuvent se former. Dans l'exempleci-dessous les adduits (I) et (II) sont appels respectivement ortho et mta par rfrence la chimie des cycles benzniques.

Prenons comme exemple le dine X et le dinophile Y ci-dessous :

L'exprience montre que I est le produit unique de la raction.Lorsque le dine est substitu par un groupe donneur et le dinophile par un groupe attracteur, l'interaction prdominante faitintervenir la plus haute orbitale occupe du dine et la plus basse orbitale vacante du dinophile. La rgioslectivit peut treprvue en partant de l'ide que les liaisons s'effectuent entre les atomes de carbone possdant les coefficients les plus levsdans ces orbitales.

Formules

Composs X Y

Les nergies des orbitales frontires du dine et les coefficients des atomes de carbone de ces orbitales sont donns ci-dessous :

Energie C1 C2 C3 C4

EHO = a + 0,46b 0,50 0,47 -0,28 -0,60

EBV = a - 0,71b 0,61 -0,29 -0,41 0,58

de mme pour le dinophile ;

Energie C'1 C'2

Composs conjugus


EHO = a + b -0,58 -0,58

EBV = a - 0,35b -0,66 0,26

les liaisons vont se former prfrentiellement entre les atomes : C1 (0,50) - C2' (0,26) et C4 (-0,60) - C1' (-0,66) conduisant auproduit ortho.

StrospcificitLe caractre syn de l'addition entre le dine et le dinophile entrane la strospcificit. Celle-ci s'exprime doublement. Parrapport aux dine et par rapport au dinophile :

strospcificit par rapport au dinophile ;

strospcificit par rapport au dine ;

Ces rsultats s'interprtent par un tat de transition dans lequel le dine et le dinophile sont dans des plans parallles.

Rgle d'AlderLorsqu'on ralise une raction de Diels-Alder entre un dine cyclique comme le cyclopentadine et un driv substitu del'thne, deux adduits diastro-isomres I et II peuvent se former. Traditionnellement, on utilise une nomenclature propre auxcomposs bicycliques ponts. I est appel compos endo tandis que II est appel compos exo.

Composs conjugus


Stroisomre endo : le groupe R est dirig vers l'intrieurde la molcule, du ct oppos au pont le plus petit.

Stroisomre exo : le groupe R est dirig vers l'extrieurde la molcule du mme ct que le pont le plus petit.

Examinons les rsultats exprimentaux dans le cas de la raction sous contrle cintique entre le cyclopentadine et l'acrylatede mthyle.

Compos endo exo

Pourcentage 78 22

Ces rsultats peuvent tre interprts si l'on admet que dans le cadre d'un contrle cintique, la strochimie est gouverne parle recouvrement des orbitales frontires des ractifs. Lors de la formation de l'adduit endo, on a les recouvrements suivants :

recouvrement principal : C1-C3' et C4-C2' ;recouvrement secondaire : C2-O et C3-C1'.

voici d'autres exemples :

L'anhydride malique est un excellent dinophile. L'adduit obtenu qui possde l'quivalent de deux fonctions acides est ensuitesusceptible de fournir plusieurs produits intressants.

Les rsultats prcdents sont valables dans le cadre d'un contrle cintique. Si la raction est effectue sous contrlethermodynamique, on obtient gnralement l'adduit exo, plus stable que l'endo.

Ractions de Diels-Alder catalyses par des acides de LewisLe substrat est un ester du menthol. Ce dernier est utilis comme auxilliaire chiral. L'acide de Lewis est le ttrachlorure de

Composs conjugus


titane. Le produit est obtenu avec un excs nantiomrique de 90 %.

Aprs rduction de l'ester, l'alcool correspondant est utilis dans la synthse de la (-)-(R)-sarkomycine.

Synthse du patchoulol

Le patchoulol est un alcool de formule brute C15H26O. Il est issu delhuile essentielle dune famille de plantes, les patchoulis, voisines desmenthes, et utilis en parfumerie. L'oxyde de patchoulne qui peut treobtenu assez facilement partir du patchoulol, a t utilis commecompos de dpart par R. A. Holton dans sa remarquable synthse dutaxol en 1994.

La raction suivante entre le dimthyl-1,3-cyclohexadine et la but-3-n-2-one, constitue le point de dpart de la synthse dupatchoulol.

Synthse du taxol

Le taxol (paclitaxel) est une substance extraite de l'corce de l'Ifdu pacifique (Taxus brevifolia), possdant des propritsanticancreuses. Il a t dcouvert en 1962 par le botanisteamricain Arthur Barclay qui participait un criblage desubstances naturelles dans les forts de l'Ouest amricain dans lecadre d'un programme institu par le National Cancer Institute(NCI).La molcule a t isole en 1971 partir de l'corce de l'If dupacifique par les chimistes Wall, Wani et Taylor. Il faut 1 kgd'corce pour isoler 100 mg de produit actif. Une production grande chelle partir de cette seule source est donc difficile envisager. C'est en essayant d'extraire des analogues du Taxolissus de l'if europeen que les chercheurs de l'Institut de chimiedes substances naturelles de Gif sur Yvette on dcouvert letaxotre. La complexit de la molcule de taxol (la molculepossde 11 centres chiraux) a constitu un challenge pour denombreuses quipes. Quelques tapes de la synthse de K. C.Nicolaou sont dcrites ci-dessous [62].Signalons un autre mdicament anticancreux mis au point parla mme quipe de l'ICSN : la Navelbine

La synthse de K. C. Nicolaou s'appuie sur la prparation du compos bicyclique "ABC". Les cycles A et C sont obtenus aumoyen de deux ractions de Diels-Alder selon le plan ci-dessous.

Composs conjugus


Les cycles A et C sont ensuite runis au moyen de la raction de couplage de Mac-Murry.

Synthse du cubaneCette synthse, ralise par J. C. Barborak, L. Watts et R. Petitt de l'Universit du Texas en 1966, dbute par une addition deDiels-Alder. Le dine est le cyclobutadine provenant de la dcomposition d'un complexe que Petitt avait prpar quelquetemps auparavant. Le philodine est un driv dibrom de la parabenzoquinone.

L'adduit de Diels-Alder subit une raction de cyclisation photochimique.

Le squelette de la molcule recherche est obtenu grce une double transposition de Favorskii.

La fin de la synthse comporte une suite de ractions qui se traduisent globalement par une dcarboxylation.

Notons que la premire synthse du cubane a t ralise par P. E. Eaton et T. W. Cole de l'Universit de Chicago en 1964. Onen trouvera les grandes lignes ainsi que quelques-unes des proprits remarquables de cette molcule, la rfrence [27].

Composs conjugus


Addition [4+2] de l'oxygne singuletL'oxygne singulet joue le rle de dinophile dans une raction de cycloaddition [4 + 2] avec les dines, apparente laraction de Diels-Alder.

L'tat fondamental de la molcule d'oxygne est un tat triplet 3Sg.Les deux premiers tats excits sont deux tats singulets d'nergiesrespectives 94,3 et 157,0 kJ.mol-1 (schma de gauche). L'oxygnesingulet 1Dg peut tre prpar par irradiation de O2 (3Sg) enprsence d'un photosensibilisateur [47], [48].

La raction entre l'oxygne singulet et un dine fournit un compos comportant une liaison peroxo.

Cette raction est utilise comme tape cl dans la synthse de Schenk de la cantharidine.

La cycloaddition de l'oxygne singulet permet la synthse de l'ascaridole, uncompos prsent dans l'huile de chenopodium, partir de l'a-terpinne.

Hmisynthse de la progestrone

La progestrone, une hormone strode, a t isole en 1934.La premire hmisynthse efficace de la progestrone a tralise en 1941 par le chimiste amricain Russel E. Marker(Universit de Pennsylvanie) en utilisant un procd dedgradation de la diosgnine, une molcule d'origine naturelleextraite des tubercules d'une dioscore mexicaine (appele :cabeza de negro). Russel E. Marker (Universit de Pennsylvanie) fonda en 1944le laboratoire pharmaceutique Syntex SA (contraction desynthse et mexique) dans le but de commercialiser laprogestrone obtenue par son procd de dgradation de ladiosgnine. Cette firme fait dsormais partie du groupechimique et pharmaceutique Helvtique Roche depuis 1994.

Composs conjugus


L'oxydation par le trioxyde de chrome provoque la coupure de la double liaison thylnique.

Le traitement en milieu basique provoque la saponification de l'ester. La molcule obtenue est un aldol qui subit unecrotonisation. On obtient une a-none.

Par hydrognation catalytique en prsence de Pd, la double liaison la plus dgage striquement est la plus rapidementhydrogne.

Le rle du dibrome est d'effectuer la protection de la double liaison thylnique au cours de l'oxydation de la fonction alcoolpar le trioxyde de chrome. La dprotection est effectue sous l'action du zinc. La prsence d'acide permet l'isomrisation ducompos obtenu en ctone conjugue plus stable.

Polymrisation

Polymrisation du butadineLa polymrisation des dines est, dans son principe, analogue celle des autres composs thylniques. La prsence de deuxdoubles liaisons offre des possibilits supplmentaires dans l'enchanement des monomres. Ainsi, la polymrisation du buta-1,3-dine peut fournir trois polymres diffrents :

la polymrisation 1, 2 est celle d'un monomre vinylique ordinaire ;la polymrisation 1, 4 pose un problme strochimique du fait de la diastro-isomrie Z, E dont l'origine est la prsencedes doubles liaisons thylniques dans le polymre. Deux composs peuvent tre obtenus :

Composs conjugus


Z E

Polymrisation de l'isoprneLa polymrisation de l'isoprne est analogue dans son principe celle du buta-1, 3-dine. A ct de la polymrisation 1, 2, onpeut obtenir deux types de polymres 1, 4 :

Z E

Le caoutchouc naturel provient de la polymrisation naturelle strorgulire, catalyse par des enzymes, de l'isoprne. Ontrouve ce dernier dans le latex, produit par l'corce de l'hva ou arbre caoutchouc. Le caoutchouc naturel est le (Z)-polyisoprne-1, 4. Dans son beau livre les objets fragiles [23], P.-G de Gennes raconte comment la polymrisation naturelle del'isoprne tait mise profit par les Indiens d'Amazonie pour se confectionner des bottes sur mesure.

Comme la molcule obtenue possde encore des liaisons doubles, il est possible de relier les chanes entre-elles par des ponts.La formation de tels ponts intermolculaires en prsence d'une petite quantit de soufre s'appelle vulcanisation. Ce procd, quiintervient dans la fabrication de pneumatiques, a t dcouvert par l'inventeur amricain Charles Goodyear en 1839. Lesliaisons pontales diminuent le comportement plastique et augmentent le caractre lastique. Dans les pneumatiques pourautomobiles, on ajoute du carbone au caoutchouc vulcanis pour augmenter la rsistance de la gomme l'abrasion. Si la quantit de soufre est plus importante, on obtient un compos de couleur noire qui ne possde plus aucune propritlastique, l'bonite, dont la couleur rappelle celle de l'bne et dont sont constitues les boules de bowling.

La polymrisation de l'isoprne peut tre ralise en utilisant des catalyseurs de Ziegler et Natta [43]. Elle conduit au (Z)-polyisoprne-1, 4 dont la structure est identique celle du caoutchouc naturel. Le (E)-polyisoprne-1, 4 appel gutta-percha, nepossde pas de proprits lastiques. Il intervient dans la fabrication des balles de golf.

Polymres conjugus

PolyactylneLa synthse du polyactylne a t vue dans le chapitre consacr aux alcynes. La structure du polyactylne mrite quelquescommentaires. On peut dcrire la molcule par l'alternance de liaisons simples et de liaisons doubles. Ces liaisons ont deslongueurs ingales. Les liaisons doubles sont plus courtes que les liaisons simples. Cette structure particulire, si on la compare celle o les liaisons auraient une longueur gale, est la consquence d'une distorsion comparable l'effet pseudo Jahn-Tellerdcrit propos du cyclobutadine. Elle porte le nom de distorsion de Peierls. Dans la mthode de Hckel, on considre deuxintgrales de recouvrement :

b1 associe aux liaisons longues (simples) ;b2 associe aux liaisons plus courtes (doubles).

Avec : b2 < b < b1. Le calcul montre qu'on obtient deux bandes :

la bande de valence est pleine avec un niveau de Fermi de valeur : a + (b2 - b1) ;la bande de conduction est vide.

La largeur de la bande interdite est : 2(b1 - b2). Dans les conditions ordinaires, le polyactylne a les proprits d'un semi-conducteur.

Il est possible de faire apparatre des charges lectriques dans la structure du polyactylne. Cette cration de charge s'appelledopage. Les premiers exemples de dopage de polymres comme le polyactylne ont mis profit des ractionsd'oxydorduction :

par oxydation on obtient un dopage de type p

Composs conjugus


par rduction au moyen d'un rducteur puissant comme le radical-anion naphtalne-sodium, on obtient un dopage detype n.

Le dopage modifie compltement les proprits du polymre. Lorsque le niveau de dopage est suffisant elles tendent ressembler celles d'un mtal.

a-nonesLes a-nones sont des substrats intressants en synthse organique car ils donnent lieu des ractions varies. On les obtientpar plusieurs voies. Citons en quatre :

oxydation des alcools allyliques (y compris les alcools tertiaires, avec transposition du squelette) ;dshydratation des aldols (et des ctols) ;raction de Wittig-Horner ;raction d'addition d'ions acylium issus de chlorures d'acyles sur les double liaisons thylniques suivie d'limination.

Exemples d'a-nones

Le 3-hydroxybutanal ou aldhyde crotonique est obtenu pardshydratation de l'aldol de l'thanal.

C'est un compos lacrymogne et toxique. Par hydrognation mnageil fournit le butanal. L'hydrognation plus pousse fournit le butan-1-ol.

Le 4-mthylpent-3-ne-2-one ou oxyde de msityle est obtenufacilement par dshydratation du ctol de la propanone en milieu acideou en prsence d'une trace de diiode.

L'hydrognation de l'oxyde de msityle conduit lamthylisobutylctone, utilise comme solvant des peintures et vernis.

Le propnal ou acroline est obtenu industriellement par oxydationmnage du propne en prsence de catalyseurs au molybdne ou enprsence d'oxyde de cuivre (I).

Il possde une odeur cre. Il se forme par dcomposition des graisses(olines) d'o son nom : acroline. Il intervient dans plusieurssynthses industrielles comme celle des amino-acides D et Lmthionine. Il est galement utilis dans la prparation du glycrol.

Il existe de nombreux aldhydes et ctones a, b-thylniques dans la nature. Le rtinal intervient dans la chimie de la vision.Les irones [33] sont responsables de l'odeur et de la couleur de nombreuses fleurs.

La jasmone

La jasmone est une a-none contenant un cycle pentagonal et unechane latrale de strochimie Z. On la trouve l'tat naturel dans lejasmin.

La molcule de jasmone possde la structure ci-dessous :

Composs conjugus


De nombreuses synthses de ce compos ont t proposes : Dans la synthse de Bchi, un driv du furane est utilis commeprcurseur d'un driv dicarbonyl 1,4 qui subit ensuite une ctolisation.

Structure lectroniqueLes a-nones sont des composs conjugus qui possdent deux conformations remarquables. En raisonnant par analogie avecle cas du buta-1, 3-dine, on peut prvoir que la conformation privilgie du propnal est la forme s-trans.

Dans le cas de l'oxyde de msityle, la conformation s-cis est plus stable que la s-trans cause de la rpulsion entre lesmthyles dans cette dernire. On note d'ailleurs un cart la planit avec un angle didre d'environ 38 tout fait visible sur lemodle de la molcule obtenu par minimisation de l'nergie.

Le propnal est le plus simple des aldhydes a, b-thylniques. La structure peut tre dcrite par la mthode de la msomrie :

une approche plus prcise consiste tudier le systme p par la mthode de Hckel. Utilisons la numrotation suivante pour lesdiffrents atomes :

les orbitales molculaires ji, associes aux nergies Ei ont l'expression suivante en fonction des orbitales atomiques cm :

le calcul des coefficients par la mthode de Hckel conduit aux rsultats ci-dessous :

Energie Ci1 Ci2 Ci3 Ci4

E4 = a - 1,55b 0,25 -0,60 0,65 -0,42

E3 = a - 0,38b 0,44 -0,56 -0,25 0,66

E2 = a + 0,99b -0,58 -0,3 0,48 0,58

E1 = a + 1,91b 0,66 0,58 0,42 0,22

Les atomes de carbone et d'oxygne contribuent au systme p, chacun pour un lectron. Il y a au total 4 lectrons. La plushaute orbitale occupe du systme p est donc j2. La plus haute orbitale molculaire occupe de la molcule (HO) est la pairenon liante de l'atome d'oxygne qui n'est pas prise en compte dans le calcul selon Hckel. La plus basse orbitale molculairevacante de la molcule (BV) est j3.

La charge lectronique qm de l'atome m, est dfinie par :

ni est le nombre d'lectrons (0, 1, 2) qui sont dcrits par l'orbitale molculaire ji. La somme est tendue aux M orbitalesmolculaires occupes.La charge nette de l'atome m est la diffrence entre le nombre mm d'lectrons apports au systme par cet atome et sa chargelectronique :

Composs conjugus


mm = 1 pour C et O. Les charges nettes des diffrents atomes dans l'orbitale BV sont donnes ci-dessous :

Q1 Q2 Q3 Q4

-0,54 0,33 -0,03 0,23

ces calculs conduisent aux conclusions suivantes :

un nuclophile dur, ragira sous contrle de charge sur l'atome de carbone 2 qui dveloppe la plus grande densitlectronique ;un nuclophile mou, ragira de prfrence sous contrle orbitalaire sur l'atome qui possde le plus gros coefficient dansla BV c'est dire sur l'atome de carbone 4.

Spectroscopie ultravioletteLes transitions en ultraviolet des composs carbonyls non conjugus ont t voques dans le chapitre correspondant. Lespectre du 4-mthylpent-3-n-2-one ou oxyde de msityle (solvant thanol) est reprsent ci-dessous :

Par rapport un carbonyl non conjugu comme la propanone, on observe un dplacement des transitions p p* et n p*vers les grandes longueurs d'ondes (effet bathochrome).

Composs transition p p* transition n p*

propanone 188 nm 279 nm

oxyde de msityle 236 nm 315 nm

Rgles de WoodwardLes rgles de Woodward permettent la prvision de la longueur d'onde du maximum d'absorption de la transition p p*. Lesincrments ajouter la longueur d'onde de base dpendent de la position des substituants sur la structure et de sa nature. Lespositions sont reprsentes par les lettres a, b, g, d :

structure de base

l de base (nm) 207 215 202 215

substituant quantit ajouter par substituant (nm)

double liaison exocycliqueconjugaison supplmentaire

530

Composs conjugus


dine homoannulaire 39

position dessubstituants

a b g d

-R, -RO, -CH3CO2,-PhCO2

10 12 18 18

-OH 35 30 - 50

-Br 25 30 - -

Dterminons titre d'exemple, la longueur d'onde du maximum d'absorption pour l'oxyde de msityle : la valeur de base de 215 nm, il faut ajouter 24 nm pour les groupes alkyles en a et b, soit un total de 239 nm en bon accordavec la valeur exprimentale.

L'exemple ci-dessous concerne la pulgone (du latin pulex : puce, en raison de la rputation de ce compos loigner cesinsectes).

Associe aux tudes de spectres de dispersion rotatoire, l'analyse des spectres ultraviolets appuye sur les rgles de Woodwardont jou, par le pass, un rle trs important dans l'lucidation des structures de molcules complexes d'origine naturellecomme les strodes. De nos jours, l'utilisation de la spectroscopie ultraviolette pour les recherches structurales a t supplantepar la spectroscopie RMN (1H et 13C).

Spectroscopie infrarougeLes absorptions caractristiques des aldhydes et des ctones en spectroscopie infrarouge ont t tudies dans le chapitre surles composs carbonyls.

StabilitDu fait de leur caractre conjugu, les a-nones sont plus stables que les b-nones. Lorsque les conditions sont requises,celles-ci ont tendance conduire aux premires par isomrisation. La migration de la double liaison est catalyse par les acides.L'exemple suivant concerne l'isomrisation de la cholest-5-ne-3-one (I) en cholest-4-ne-3-one (II) plus stable.

Composs conjugus


Ce type de raction d'isomrisation explique pourquoi on doit utiliser un oxydant chimioslectif comme le chlorochromate depyridinium si l'on veut prparer la cholest-5-ne-3-one par oxydation du cholestrol. Une autre solution consiste bloquer ladouble liaison thylnique sous forme de driv dibrom et de la rgnrer aprs oxydation.

Addition des organomtalliquesLa prparation des ractifs est dcrite dans le chapitre sur les composs organomtalliques. Les principaux rsultats sontdonns ci-dessous :

les organolithiens fournissent prfrentiellement le produit d'addition 1, 2. Le cation lithium, petit et peu polarisable estun acide dur, (h = 35,1 eV). Son association avec l'atome d'oxygne du groupe carbonyle qui est une base dure, (h = 19eV), est l'origine du phnomne d'activation lectrophile. La raction est sous contrle de charge.

les organomagnsiens fournissent gnralement un mlange de produits d'addition 1, 2 et 1, 4 ;

l'ajout de CuBr augmente considrablement l'addition 1, 4.

Composs I II

sans CuBr 90 10

avec CuBr 5 95

les cuprates lithiens de Gilman fournissent gnralement de faon quasi exclusive le produit d'addition 1, 4.

La raction s'effectue avec une grande stroslectivit.

Les ractifs de Knochel ragissent en position 4 sur les ctones a, b-insatures en prsence de chlorure detrimthylsilyle.

Plusieurs mcanismes ont t proposs pour expliquer la rgioslectivit de l'addition des cuprates sur les a-nones :mcanisme radicalaire, formation d'un complexe p entre la double liaison thylnique et l'organomtallique (voir par exemple[18]). Des travaux rcents sont en faveur de la formation d'un complexe p [55].La molesse du carbone du carbone nuclophile du cuprate peut aussi tre invoque dans le cadre d'un contrle orbitalaire de laraction (Cu+ est un acide mou, de duret de 6,9). L'attaque prfrentielle de l'organomtallique a lieu sur l'atome de carbonequi possde le plus gros coefficient dans l'orbitale BV, donc sur l'atome C4.

Synthse de la prostaglandine PGF2a La synthse stroslective de la prostaglandine PGF2a selon la mthode mise au point par G. Stork, constitue un exemple del'utilisation des cuprates vinyliques en synthse. Le cuprate s'additionne sur la face prochirale la moins encombre de la doubleliaison thylnique.

Composs conjugus


La prostaglandine PGF2a est une molcule biologique possdantdes effets physiologiques importants. Elle intervient dans le cycleovarien et dans le mcanisme provoquant l'accouchement. Elle agalement une activit antiinflammatoire. La synthse totale de cettemolcule a t ralise par plusieurs quipes dont celle du chimisteamricain E. J. Corey en 1970 ainsi que par celle de soncompatriote d'origine belge, G. Stork selon une voie diffrente dontquelques tapes sont dcrites plus haut. Le prcurseur biochimiquedes prostaglandines est l'acide arachidonique.

Addition de MichalL'addition conjugue d'un nuclophile sur un substrat a, b-thylnique a t mise en vidence par le chimiste amricain A.Michal en 1887. Cette raction, trs prcieuse pour raliser des allongements de chanes carbones, met en jeu desnuclophiles varis : ion nolate, ion cyanure, dithiane lithi, namine, ylures de soufre, carbanions issus de drivs nitrs etc.De mme des substrats divers peuvent tre utiliss comme accepteurs de Michal : aldhydes, ctones, esters, nitriles,nitroalcnes etc. Leur point commun est de possder une double liaison thylnique rendue lectrophile par la prsence d'ungroupe attracteur conjugu avec elle.

Lorsque la raction implique deux composs carbonyls, l'un jouant le rle d'accepteur et l'autre de nuclophile, on obtient unsystme dicarbonyl 1,5. Dans le cas le plus simple cela donne le schma de rtrosynthse suivant :

Avec une amine secondaire comme donneur, on aura :

Des combinaisons varies, plus complexes, peuvent tre utilises mais le principe est toujours le mme.

Examinons comme exemple le cas de l'addition d'un ion nolate sur un compos carbonyl. La prparation des nolates a tvue dans le chapitre relatif aux composs carbonyls.

Une quantit catalytique de base suffit dans le cas o la formation de l'nolate est ralise sous contrlethermodynamique.La raction peut tre ralise sous contrle cintique si l'nolate est prform par raction entre le ractif de dpart et unquivalent de base comme le LDA.

Nous allons nous placer dans ce cas pour voir le principe de la synthse.

Cet nolate est mis ragir avec l'accepteur de Michal, ici une a-none.

Composs conjugus


l'nol est obtenu en ajoutant un ractif protogne au milieu ractionnel ;

le produit final est le tautomre de l'nol prcdent ;

L'quilibre est en faveur du carbonyl du fait de la grande nergie de liaison du groupe carbonyle.

L'addition de Michal peut tre ralise de faon intramolculaire. La raction ci-dessous est une tape de la synthse dulongifolne par Corey.

Addition de Michal nantioslectiveL'exemple suivant concerne une synthse de la (R)-(-)-muscone, une ctone grand cycle de structure voisine de celle de lacivtone par Tanaka et al [42]. excs nantiomrique est de 99 %.

Des ligands chiraux drivs de mtallocnes sont aussi utiliss.

Annlation de Robinson L'annlation de Robinson (en anglais : Robinson annulation) est la combinaison d'une raction de Michal suivie d'unecondensation aldol. Cette synthse de cycles a t mise au point par le chimiste britannique R. Robinson en 1935. Voici unexemple de cette raction qui utilise l'nolate de la cyclohexanone. On commence par prparer cet ion nolate en dprotonantla cyclohexanone par le LDA.

l'nolate obtenu est mis ragir avec une a-none, en l'occurence la mthylvinylctone, qui joue le rle d'accepteur de Michal;

Composs conjugus


On obtient une dictone 1,5.

la dictone obtenue subit une cyclisation par une raction de ctolisation intramolculaire ;

le ctol est ensuite facilement dshydrat pour conduire au produit final.

A la fin de ce processus, on obtient un nouveau compos carbonyl a, b-thylnique.

Application 1 : synthse de la ctone de Wieland-Miescher

La ctone de Wieland-Miescher sert de point de dpart dans plusieurssynthses de strodes ou de terpnes comme celles du longifolne parE. J. Corey (1964), [39] et celle de J. E. Mc Murry et S. J. Isser(1972), [40].

L'exemple suivant concerne une application de la raction d'annlation de Robinson la prparation de la ctone de Wieland-Miescher [45],[61]. Cette ctone, qui porte le nom de ses deux dcouvreurs Karl Miescher et Peter Wieland de la firmepharmaceutique Ciba Geigy, sert de point de dpart dans la synthse de nombreux composs complexes. Elle comportenotamment les cycles A et B du squelette des strodes.Une synthse nantioslective utilisant la L-proline comme auxilliaire chiral a t mise au point. Il s'agit d'un cas particulier dela raction de Hajos-Parrish au cours de laquelle le ctol n'est pas isol du fait de la temprature de travail leve. L'excsnantiomrique est voisin de 90 %.

Application 2 : synthse de strodesLe principe est le mme que prcdemment. Il y a cette fois quatre cycles crer. On va donc utiliser deux fois successivementla suite de ractions : addition de Michal suivie d'une ctolisation.

Composs conjugus


Raction de Baylis-HillmanL'origine de cette raction remonte aux travaux du chimiste japonais K. Morita en 1968. L'auteur utilisait une phosphinesubstitue par des groupes cyclohexyle comme catalyseur. Le rendement, trs faible, (< 20 %) de la raction limite lesappplications possibles.

Un tournant dcisif a t apport par A. B. Baylis et M. E. Hillman en 1973. En utilisant une amine tertiaire encombre commecatalyseur, le rendement est cette fois excellent.

Le schma gnral est le suivant :

Composs conjugus


EWG : "electron withdrawing group" : dsigne un groupe attracteur d'lectrons.

Il s'agit donc d'une mthode trs gnrale de synthse de composs acryliques.La premire tape de la transformation est l'addition rversible d'une amine tertiaire comme DABCO, DBU ou encore laDMAP sur une a-none, jouant le rle d'accepteur de Michal. Il y a formation d'un zwitterion.

La deuxime tape est une condensation de type aldol entre le zwitterion se comportant comme un anion nolate et unaldhyde. Cette tape est cintiquement dterminante.

L'tape suivante est l'limination du catalyseur (limination de type Hofmann).

Puisque l'tape cintiquement dterminante est la raction entre le zwitterion et l'aldhyde, on peut acclrer la raction de deuxfaons :

en stabilisant le zwitterion ;en utilisant un aldhyde plus lectrophile.

Notons que les ctones ragissent seulement pression leve.

Un des grands intrts de la raction de Baylis Hillman provient du fait qu'il en existe des versions stroslectives.

La version diastroslective suivante utilise comme auxilliaire chiral un sultame d'Oppolzer.

Il existe des versions nantioslectives utilisant des catalyseurs chiraux.

Bibliographie

Ouvrages exprimentaux

Composs conjugus


[1] Manuel d'expriences de chimie - UNESCO Socit chimique de France - Universit de Montpellier.[2] P. Rendle, M. V. Vokins, P. Davis, Experimental Chemistry (Edward Arnold).[3] L. F. Fieser, K. L. Williamson - Organic Experiments (D. C. Heath and Company).[4] R. Adams, J. R. Johnson, C. F. Wilcox - Laboratory Experiments in Organic Chemistry (The Macmillan Company, Collier-Macmillan Limited).[5] G. K. Helmkamp, H. W. Johnson Jr, Selected Experiments in Organic Chemistry (W. H. Freeman and Co).[6] Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry (Longman).[7] J. R. Mohrig, D. C Neckers, Laboratory Experiments in Organic Chemistry (D. Van Nostrand Company).[8] R. Q. Brewster, C. A. Van der Werf, W. E. Mc Ewen, Unitized Experiments in Organic Chemistry (D. Van Nostrand Company).[9] F. G. Mann, B. C. Saunders, Practical Organic Chemistry (Longman).[10] M. T. Yip, D. R. Dalton, Organic Chemistry in the Laboratory (D. Van Nostrand Company).[11] Journal of Chemical Education.[12] S. Hnig, E. Lcke, W. Brenninger, Organic Syntheses.

Ouvrages thoriques

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Liens

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Articles

[34] Aromaticity, Special Publication N 21, The Chemical Society, London (1967).[35] R. B. Woodward, R. Hoffmann ; J. Am. Chem. Soc., 87, 395 (1965).[39] Corey, E. J. ; Mitra, R. B. ; Vatakencherry, P. A. ; J. Am. Chem. Soc. 86, 478 (1964).[40] McMurry, Isser S. J. ; J. Am. Chem. Soc., 94, 7132 (1972).[42] K. Tanaka, J. Matsui, H. Suzuki, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 1993, 15.[47] J. Rakowitz, Excitant oxygne singulet, Bulletin de l'Union des Physiciens, novembre 1984.[48] G. Levy, L'oxygne ou le rouge mis, Bulletin de l'Union des Physiciens, mai 1982.[55] Steven H. Bertz, Anu Chopra, Magnus Eriksson, Craig A. Ogle, and Paul Seagle. J. Am. Chem. Soc., 124 (46), 13650 - 13651, 2002. 10.1021.[60] W. S. Rapson, R. Robinson, J. Chem. Soc. 1935, 1285[61] Wieland, P.; Miescher, K. Helv. Chim. Acta 1950, 33, 22152228.[62] Nicolaou, KC ; Yang, Z ; Liu, JJ ; Ueno, H; Nantermet, PG ; Guy, RK ; Claiborne, CF; Renaud, J et al. (February 1994) Nature 367 (6464): 630634.

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Texte, dessins, photographies : Grard Dupuis - Lyce Faidherbe de LILLEdcembre 2011

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