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Devoir Surveillé n° 6

le jeudi 13 avril 2017

Chimie verte

DevoirSurveillé6–optionPC

Durée du devoir : 2 heures

r Les exercices sont indépendants ; ils peuvent être traités dans un ordre quelconque et des parties sont indépendantes dans chacun. r Rendez des copies propres, lisibles, et dans lesquelles les numéros des questions seront bien reportés. Un résultat qui ne sera pas entouré ou souligné sera ignoré par le correcteur… r N’oubliez pas de remettre le document-réponse. Exercice 1 : applications directes du cours 20 min Les 3 séquences réactionnelles ci-dessous sont des extraits de synthèses organiques récentes. Chaque séquence met en jeu une réaction connue, vue en cours, et des réactifs connus ou s’ils ne le sont pas, des réactifs qui peuvent être remplacés par des réactifs que vous connaissez. Pour chacune des réactions, il vous est demandé de compléter le tableau joint en annexe, dans lequel vous devrez par exemple : Entourer le groupement fonctionnel concerné par la réaction ; Identifier la nature de la réaction, par exemple : oxydation, réduction, addition nucléophile, substitution nucléophile,… ; Indiquer éventuellement un réactif vu en cours permettant d’effectuer la même réaction Indiquer la structure du produit obtenu lorsqu’elle n’est pas donnée

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Séquence 1 : synthèse du marinopyrrole B Auteur Derrick L. J. Clive Année de publication 2013

Type de synthèse Synthèse totale

Nombre d’étapes 118 (linéaire)

N

CO2Me

MeO2C

Br Cl

Cl N

O

CO2Me

MeO2C

Br Cl

Cl

1) O3

2) Me2S

CH2Cl2, MeOHde -78°C à temp.ambiante

7 h et 91 %

Séquence 2 : synthèse de la strychnine Auteur Robert A. Holton Année de publication 1994

Type de synthèse Synthèse totale

Nombre d’étapes 46 (linéaire)

Me

Me

O

O

OTBSO

Me

TESO

Me

O

OTMS

OBOM

H

Me

Me

O

O

OTBSO

Me

TESO

Me

Me

OTMS

OBOM

H OH

1)................. dans Et2O-65°C à -48°C

2) H+/H2Oen 16h30 et 95%

Séquence 3 : parce que vous le valez bien… Auteur Pour le groupe L’Oréal / à partir des travaux de Lubineau Année de publication 2013

Type de synthèse Synthèse d’un composé anti-âge

Nombre d’étapes *

OOHOH

OHO

OOHOH

OHOH

................dans EtOH

3

Exercice 2 : à partir du menthol 30 min Le chlorure de thionyle SOCl2 est un réactif dit « chlorurant » qui permet la substitution d’un groupe –OH par un atome de chlore –Cl. Le bilan est le suivant : R-OH + SOCl2 = R-Cl + HCl + SO2

1) Pourquoi la réaction de substitution suivante est–elle vouée à l’échec ?

Cl- + R-OH = R-Cl + HO- La stéréochimie de la réaction dépend des conditions expérimentales, et c’est ce que l’on se propose d’étudier ci-après, avec un alcool cyclique, le menthol. Le stéréo-isomère de départ est le suivant, c’est le (-)-menthol, représenté ici en représentation de Cram, et dans une conformation chaise en perspective cavalière.

Traité par SOCl2, le menthol peut conduire aux deux dérivés chlorés suivants, qui sont notés A1 et A2, le but étant de savoir lequel est A1 et l’autre A2 :

schéma 1 : A1 et A2 ou A2 et A1

• L’éhanolate (C2H5O- K+) de sodium est une base forte.

• Le menthol, réagissant avec le chlorure de thionyle (SOCl2) en solution dans l’éther (éthoxyéthane

Et2O), donne le composé (A1) lequel, traité par l’éthanolate de potassium (C2H5O- K+) dans l’éthanol, à chaud, se transforme en hydrocarbure (B) (espèce ne contenant que C et H).

• Lorsque la même réaction du menthol avec SOCl2 a lieu dans la pyridine, on obtient alors le produit (A2) et qui, sous l’action de l’éthanolate de potassium dans l’éthanol, conduit à un mélange contenant 25 % de (B) et 75 % de (B’), (B) et (B’) étant deux hydrocarbures de même formule brute C10H18.

• Dans les deux expériences, la réaction est une réaction d’ordre 2.

4

2) Quelle relation de stéréochimie lie (A1) et (A2) ?

3) Représenter (A1) et (A2) en conformation chaise en complétant la représentation du

cyclohexane telle qu’elle est imposée ci-dessous :

4) Quelle est la nature de la réaction au cours de laquelle (A1) et (A2) conduisent à (B) et (B’) ?

5) Préciser les formules semi-développées planes des hydrocarbures (B) et (B’).

6) Justifier la prépondérance de (B’) sur son isomère (B) en énonçant explicitement la règle invoquée.

7) En utilisant les résultats expérimentaux, expliquer très clairement comment l’on peut déduire des expériences précédentes les structure spatiales de (A1) et de (A2). Vous expliciterez le mécanisme de manière explicite à partir de conformations judicieuses. Identifier (A1) et (A2).

Problème : chimie verte, M Sheldon,…70 min Le secteur de la chimie a initié depuis plusieurs décennies de nombreuses études et évolutions pour diminuer l’empreinte environnementale des procédés ; cela a conduit en particulier au concept de « chimie verte », ensemble de principes et techniques visant à réduire ou éliminer la formation de substances dangereuses ou toxiques dans la conception, la production et l’utilisation des produits chimiques. Par ailleurs, la substitution de produits issus de la pétrochimie est encouragée au profit d’espèces renouvelables provenant de la biomasse. Ce sujet porte sur l’étude de synthèses en lien avec cette problématique. Il propose une étude des propriétés anti-oxydantes des flavonoïdes, puis une analyse de recherches effectuées pour proposer une voie de synthèse éco-compatible de flavonoïdes hydrosolubles. Les données utiles figurent en fin d’énoncé. Cet énoncé est accompagné d’un document réponse à rendre avec la copie. Autour des flavonoïdes Les flavonoïdes (de flavus, jaune en latin) sont une classe de composés polyphénoliques largement répandue dans le règne végétal. Ils sont en particulier responsables des couleurs variées des fleurs et des fruits. Leur structure de base, issue d’une origine biosynthétique commune, consiste en deux cycles aromatiques en C6 (nommés A et B) reliés par un chaînon à trois atomes de carbone souvent engagé dans un lien éther avec un des cycles aromatiques (formation d’un hétérocycle nommé C). Le groupe des flavonoïdes est extrêmement diversifié : plusieurs milliers de composés ont été recensés. La catéchine est un exemple de flavonoïdes, connue sous le nom de catéchol. Initialement découverte dans les fruits de l’accacia à cachou (Accacia catechu), on en trouve en grande quantité dans les thés, thés verts notamment, les fèves de cacao, les pommes, les raisins et le vin rouge. La catéchine et ses nombreux isomères, comme la plupart des flavonoïdes, sont de puissants anti-oxydants qui aident à prévenir les maladies inflammatoires et coronariennes.

5

O

A

B

C1'2

345

6

78 9

10

2'3'

4'

5'6'

structure de base des flavonoïdes

OH O

OH

OH

OH

OH

structure de la catéchine Figure 1 : flavonoïdes et catéchine

1) Le groupe hydroxyle OH est lié à des atomes carbone de type différents dans la catéchine.

Quel nom donne-t-on à chacune des fonctions encadrées ? La réponse est à inscrire directement dans le document réponse.

Synthèse de flavonoïdes glycosylés dans le cadre de la chimie verte L’étude qui suit porte sur les travaux conduits par Freddy Pessel dans le cadre de sa thèse de doctorat « Synthèse éco-compatible de flavonoïdes fonctionnalisés par le glucose comme anti-oxydants potentiels ». L’ajout d’un motif sucre (le glucose par exemple) accroît la solubilité du flavonoïde. Les schémas de la figure 2, et 4 présentent la stratégie retenue par F. Pessel : il n’y a aucune question, ne vous y attardez pas. La prochaine question est page 7. Synthon 6

O OH

O

+O OH

O

R1

OH

R2

O

R1

OH

R2

Aldolisation

XOH OH

O

O OH

O

O-alkylation

O OH

O

R1

OH

R2AFO O O

O

R1

OH

R2

OH

+

5

5 6

4

AFO : réaction de Algar-Flynn-Oyamada

Figure 2 : préparation du synthon 6

6

Synthon 3

OOHOH

OH

OH

OH

O O

+

OOHOH

OH

O

OH

OOHOH

OH

O

OH

Knoevenagel

OOHOH

OH

O

OH

Br

OOHOH

OH

O

OH

Br

NaN3

bromation

SN2

OOHOH

OH

O

OH

N3

3

1

2

le trait représente une liaison qui est indifféremment en avant ou en arrière

Figure 3: préparation du synthon 3

Synthon 11 = 6 + 3

O O

O

R1

OH

R2

OH

6

+

OOH

OHOH

O

OH

N3

CuAAC

3

OOH

OHOH

O

OH

NN

N

O O

O

R1

OH

R2

OH

A

B

CR1 = H , OH ou MeR2 = H ou OH

11 Figure 4 : obtention du flavonoïde glycosylé 11

7

1) Étude comparative de deux voies de synthèse du motif sucre 1 La littérature fait état d’un certain nombre de synthèses du motif d’un sucre noté sucre 1 et représenté ci-dessous :

OOHOH

OH

O

OH

schéma 2 : structure du sucre 1

Cette partie se propose d’étudier une synthèse classique, celle d’Howard et Withers en 1998, et de la comparer à une synthèse « one-pot » en accord avec les principes de la chimie verte, proposée par l’équipe de Lubineau en 2000 finalement retenue par F. Pessel dans ses travaux et notée Knoevenagel sur son schéma rétrosynthétique. Première voie de synthèse : synthèse « classique » La figure 5 donne le schéma de la synthèse d’Howard et Withers.

Figure 5 : synthèse du motif sucre 1 proposée par Howard et Withers

Etapes1et6

2) Quelles est la nature des étapes 1 et 6 ? Proposer une équation pour la réaction mise en jeu dans l’étape 6 en utilisant une écriture simplifiée pour les composés organiques, et en sachant que CrO3 est « transformé » en Cr3+. On rappelle que l’acide sulfurique H2SO4 est un acide fort en solution qui libère des ions H+.

Etape23) Donner l’équation de la réaction de formation du composé organo-métallique utilisé dans

l’étape 2. Justifier le choix du solvant diéthyléther. Quels sont les inconvénients et

Etape 1 Etape 2

Etape 5

Etape 6 Etape 7

Etape 4

8

contraintes de l’utilisation de ce type de réactif ? Quel autre réactif, non mentionné sur le schéma de la synthèse, faut-il utiliser pour finaliser l’étape 2 ? Justifier.

Etapes4et5L’équation de l’étape 5 est reproposée ci-dessous :

OBnOBnO

OBn O

OBn

OBnOBnO

OBn

OBn

OH

1) DIBAL / BuLi/THF

2) H+/H2O

le trait représente une liaison qui est indifféremment en avant ou en arrière

4) Le DIBAL est l’hydrure de diisobutylaluminium, il libère un ion hydrure H-. Compléter le mécanisme proposer dans le document réponse en faisant apparaître les transferts électroniques pour la réaction mise en jeu entre le composé A et le DIBAL dans l’étape 5. Justifier brièvement la régiosélectivité observée.

Cette suite réactionnelle présente plusieurs inconvénients : un grand nombre d’étapes, l’utilisation de nombreux produits toxiques ainsi que de groupements protecteurs, une économie d’atomes de seulement 11% et un rendement global inférieur a 37%. Seconde voie de synthèse : synthèse alternative En 2000, une synthèse verte « one-pot » dans l’eau du motif sucre 1 a été proposée par l’équipe de Lubineau avec comme réactifs le glucose, la pentane-2,4-dione et l’hydrogénocarbonate de sodium (figure 6).

OOHOH

OH

O

OH

OOHOH

OH

OH

OH

2,4-pentanedione (1,3 éq)NaHCO3 (1,5 éq)

H2O, 110°C100 %

Figure 6 : synthèse verte « one pot » du motif sucre : glucose → 1 Le produit est initialement obtenu sous la forme d’un mélange de dérivés α- et β-pyranoses (cycles à 6 atomes) et furanoses (cycle à 5 atomes) qui, lors d’un chauffage prolongé, conduit exclusivement au β-pyranose (composé 1).

9

O

OHOHOH

OH

OH

O

OHOH

OH

OHOH

OOH

OHOH

OH

OH

a-D-Glucopyranose b -D-Glucopyranose

O OHOH

OH

OH

OH

a-D-fructofuranose b -D-fructofuranose Figure 7: exemples de structures de pyranoses (cycles à 6) et furanoses (cycles à 5)

5) Justifier la stabilité du composé 1 produit par rapport aux autres dérivés.

6) On peut proposer le bilan équilibre suivant :

OOH

OHOH

O

OHOOH

OHOH

OH

OH

pentane-2,4-dione

H2O, 110°C100 %

NaHCO3

+ H2CO3 +ONa

O

+ NaHCO3O O

+

glucose 1

Lesmassesmolairessont,eng.mol-1:

glucose 180pentane-2,4-dione 100

HydrogénocarbonatedesodiumNaHCO3 84Glycosylepropanone(composé1) 220

Calculer l’économie d’atomes (AE) pour cette synthèse et la comparer à celle de la synthèse d’Howard et Withers, sachant que l’économie d’atomes est définie ainsi :

Métrique de la chimie verte

Économie d’atomes ∑

=réactifs

produit

MM

AE avec M = masse molaire

2) Synthèse de l’azoture d’acyle 2 → 3

OOHOH

OH

O

OH

Br

NaN3

SN2

OOHOH

OH

O

OH

N3

32

10

L’azoture d’acyle (composé 3) est obtenu par action de l’azoture de sodium sur le dérivé bromé 2.

7) Donner des formes mésomères de l’ion azoture N3- (non cyclique) sachant que le numéro

atomique de N est Z=7.

8) Le schéma de synthèse fait apparaitre un mécanisme de type SN2 pour cette étape. Les conditions favorisant ce mécanisme limite sont-elles réunies dans cette synthèse ?

3) Première étape de la synthèse du motif flavonoïde 6 : protocole de la O-alkylation La synthèse de la 2’-hydroxy-4’-propargyloxyacétophénone (composé 4) (figure 8) est réalisée par O-alkylation dans le polyéthylène glycol diméthyléther (c’est le solvant) selon le protocole expérimental décrit ci-dessous.

XOH OH

O

O OH

O

+

4 Figure 8 : schéma de synthèse décrit ci-dessous

Figure 8 : Synthèse de la 2’-hydroxy-4’-propargyloxyacétophénone 4 à partir de

paratoluènesulfonate de propargyle HC≡C−CH2−OTs avec OTs = OSO2−C6H4−CH3

Protocole expérimental : 10,6 g de 2’,4’-dihydroxyacétophénone A sont dissous dans un solvant [polyéthylène glycol diméthyléther 500] (35 mL) et le mélange est chauffé à 60 °C. 11,5 g de carbonate de potassium (K2CO3) en poudre sont lentement ajoutés et le mélange est agité durant 15 minutes. Le paratoluènesulfonate de propargyle B (12,0 mL, ρ = 1,215 g.mL–1 à 20 °C) est ajouté et le mélange est agité à 60°C durant deux jours. Après refroidissement à température ambiante, le mélange est dilué avec de l’eau (100 mL) et de l’acide chlorhydrique à 37% (7 mL) est ajouté. Le mélange est ensuite extrait au diéthyléther (120 mL puis 3 × 30 mL). La phase organique recueillie est lavée avec une solution aqueuse de chlorure de sodium à 12% (50 mL) puis concentrée sous vide. Le produit brut est traité par deux recristallisations successives. On récupère enfin le produit solide purifié et séché (10,96 g). Résumons : OH OH

O A

X

+

B

O OH

O4

10,6 g 12,0 mL 10,96 g

11

9) Avec quelle verrerie effectue-t-on l’extraction ?

10) Quel est le but du lavage ?

11) Comment sèche-t-on la phase organique ?

12) Comment peut-on éliminer le solvant de la synthèse afin de recueillir le produit ?

13) Calculer le rendement de l’étape de O-alkylation.

14) Calculer l’économie d’atomes AE de cette réaction sachant que :

Lesmassesmolairessont,eng.mol-1:

2’,4’-dihydroxyacétophénoneA 152paratoluènesulfonatedepropargyle B 210

2’-hydroxy-4’-propargyloxyacétophénone(composé4) 190

Métrique de la chimie verte

Économie d’atomes ∑

=réactifs

produit

MM

AE avec M = masse molaire

Signification de quelques abréviations CuAAC réaction de cycloaddition entre azoture d’acyle et alcyne catalysée par le

cuivre (I) AFO réaction d’Algar-Flynn-Oyamada (non étudiée)

PCC chlorochromate de pyridinium N+ H ClCrO3-

Et2O diéthyéther DIBAL hydrure de diisobutylammonium ((C3H7)2CH)2AlH THF tétrahydrofurane AcOH acide acétique MeOH méthanol

FIN