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RCactions d’addition nucleophile sur les cCtones. Influence de I’environnement stCrique sur la position de 1’Ctat de transition

B. Boyer, G. Lamaty et C. Moreau

Laboratoire de Chimie Organique Physique, Universitk des Sciences et Techniques du Lanyuedoc, Place E. Bataillon, 34060 Montpellier Cedex (Received November 21st, 1980)

Abstract. In the present investigation, we have measured the secondary kinetic deuterium isotope effects in hydroxylamine addition reaction for a series of cyclohexanones, both hindered and un- hindered. We observed a slightly direct isotope effect, k H / k D > 1.00, for unhindered cyclohexanones and an inverse isotope effect, k H / k D < 1.00, for hindered cyclohexanones; this inversion of the iso- tope effects is attributed to a decrease of the torsional strain through the intervention of an “effet sterique de compression” that induce a slight deformation of the cycle and changes the angle of approach of the nucleophile.

Introduction

Dans les articles precedents’.2, nous avons examine, dans le detail, I’influence des effets steriques i longue distance sur la reactivite des cyclohexanones encombrees en posi- tion 3,s diaxiales vis B vis de I’ion BH,-, de I’ion S 0 3 H - et de I’hydroxylamine. Nous avons pu mettre en evidence le rBle joue par deux types d’effets steriques: les tt effets steriques d’approche)) - dGs a m interactions steriques entre le nucleophile et les groupes situes en position 3,s diaxiales, effets qui se rnanifestent lors d’une attaque axiale du nucleophile; les (ceffets steriques de compression)) - lies aux developpe- ment d’interactions de non-liaison entre I’oxygene du carbonyle et ces memes substituants axiaux -, effets intervenant lors d’une attaque equatoriale du nucleophile. L’etude de la reactivite des composb carbonylb vis B vis de I’ion sulfite et de I’hydroxylamine nous a permis de souligner le r6le important joue par les tceffets steriques de compression D ~ , confirmant ainsi les resultats obtenus lors de la mesure des effets isotopiques secondaires loin- rains du deuterium3. Nous avons note que l’intervention de ce facteur dependait effectivement de la structure de la cetone consideree, mais pas de la structure de I’etat de transition, puisque nous avons mis en evidence ce terme sterique aussi bien dans le cas d’un etat de transition p r e c ~ c e ’ . ~ (NH,OH, S0,HNa) que dans le cas d’un etat de transition tardip (BH,-). Ayant en main les cetones 5 i 10 et leurs homologues tetradeuteriees en a, nous avons mesure les effets isoto- piques dans la reaction d’addition de I’hydroxylamine; pour cette meme reaction les cetones non encombrees, 1 a 4, dejB etudiees‘.* nous avaient donne un effet isoto- pique direct, k H / k D > I , qui avait ete, i l’epoque, inter- prete par la superposition d’un effet isotopique de torsion B I’effet hyperconjugatif classique; il etait donc interessant de voir la variation eventuelle de ces 2 termes dans des cetones oh I’attaque du nucleophile est totalement equa- toriale et ou I’apparition (( d’effets steriques de com- pression)) peut entrainer des deplacement de l’etat de transition.

Resultats expbrimentaux

L’ensernble de nos resultats sont rassernbles dans le Tableau I

Discussion

Nous avons discute precedemment le mecanisme detaille de la reaction d’oximation’, la signification de la constante

k, ainsi que les differents facteurs intervenant dans la valeur des effets isotopiques6. Nous nous bornerons B les rappeler brievement ici. Parmi les facteurs electroniques, les effets hyperconjuga- tifs, dont l’origine est un recouvrement PIT*. sont pre- dominants; ils stabilisent d’avantage la cetone hydrogenee que la cetone deuteriee; s’ils intervenaient seuls, ils con- duiraient & un rapport k H / k D < 1. Deux types d’interactions steriques ont Cte mis en h i - dence6 entre I’hydroxylamine et les hydrogenes en a du carbonyle dans l’etat de transition, que nous avons montre Etre precoce: un effet sterique de torsion entre la liaison C-N, en cours de formation, et les liaisons C-H en ci du carbonyle et (( un effet sterique d’approche)) (interaction de non liaison entre les atomes l i b B I’azote dans NH,OH et les atomes d’hydrogenes en a). Le premier de ces effets, s’il intervenait seul, conduirait i un effet isotopique direct ( k H / k D > l ) , le second Li un effet isotopique inverse. En fait ces effets interviennent simultanement et se super- posent B l’effet hyperconjugatif, I’importance relative de chacun de ces effets varie d’une cetone ii l’autre et est souvent difficile i apprecier. L’examen du Tableau I peut paraitre surprenant si I’on considere le renversement observe dans les valeurs des effets isotopiques, SLN la constante de vitesse d’addition neutre k,, quand on passe des cyclohexanones non en- combrees 1 a 4 ( k H / k D > 1) i l’ensemble des cetones substituees en p et p’. 5 i 10, ( k H / k D < 1).

B. Boyer, G. Lamary, C. Moreau et P. Geneste, Can. J. Chern. 57, 2848 (1979).

* B. Boyer et G. Lamaty, Recl. Trav. Chern. Pays-Bas 98. 566 (1979). B. Boyer, G. Lamaty, J . P. Royue et P. Geneste, Can. J. Chern. 58, 55 (1980). P. Geneste et G. Lamary, Bull. Soc. Chirn. Fr. 669 (1968). R. D. Burner/ et D. N. Ki rk , J. Chem. SOC. Perkin 11, 1523 (1976). D . J . Pasto et B. Lepeska, J. Am. Chem. SOC 98, 1091 (1976). E. A. Hill et S. A. Milosecich, Tetrahedron Lett. 3013 (1976). D. C. Wigfieldet F. W. Gowland, Can. J. Chem. 56, 786 (1978). Communication IVerne conference I.U.P.A.C. de Chirnie Organique Physique York, Angleterre (1978). 8. Caro, E. Centric, D. Granrijean et G. Jaouen. Tetrahedron Lett. 3009 (1978). D. C. Wigfield. Tetrahedron 95, 449 (1979).

’ P. Geneste, G. Lamaty et J. P. Roque, Tetrahedron 27, 5539 (1971). P. Geneste, G. Lamnty et J. P. Royue, Tetrahedron 27, 5561 (1971).

’ G. Lamaty, A . Natat, A . Petitjean, J . P. Roque, P. Geneste et B. Schlick, Recl. Trav. Chern., Pays-Bas 95, 54 (1976).

* C. Moreau, These de Doctorat es-Sciences, Montpellier 1972.

Recueil, Journul of the Royal Netherlands Chemical Society, 10017-8, julylaugust I981 273

Tableau I d’hydro.xylaminu“ k , ef e]fefs isolopiques secondaires du deut$rium.

Constantes de citesse d’addition neutre

-

Cet o nes

c=7“ 1

eo 2

wo 3

do 4

I1,74

10,4b

6,00b

3,50h

0,600

0,954

0.168

0.032

0.027

1 , O l

1.05‘

I ,04”

I , O l <

0,91d

0.93

0,89

0.90

0,90

0.90

., Les constantes de vitesse d’additon k,, ont ete determinks h partir du graphe k c i , = (fCH’]’. Toutes les mesures ont ete effectuees dans l’eau 25OC et i une force ionique de 1 M.

Les valeurs observees pour le premier g r o u p ont ete interpretees’.8, nous I’avons dit, par la superposition d’un effet hyperconjugatif et d’un effet sterique de torsion qui joue en sens inverse et tend a annuler la contribution hyperconj ugative.

Rt;l.. 7. ‘ Ref. 6. ’ Ref. 8.

Considerons a present les cetones substituees en 3,s pour lesquelles nous observons un effet isotopique secondaire du deuterium egal I 0,92 Ainsi que nous I’avons dejja msntionne, les cetones 1 i 4 donnent lieu essentiellement a une attaque equatoriale. Etant donne le caractere precoce de I’etat de transition de cette reaction6 et compte tenu que l’encombrement de la face equatoriale est identique pour tous ces modeles, on pouvait s’attendre ja trouver ri peu pres le m&me reactivite. Or on peut remarquer la diminution de reactivite quand on passe des cetones non encombrees (1 h 4) aux cyclo- hexanones substituees en 3 et 5 (5 a 10). Nous avons interprete ce resultat par I’intervention d’interactions de non-liaison entre l’oxygene du carbonyle et les substituants axiaux en 33’. Ces effets steriques de compression se produisent tres tBt et il suffit d’un faible degre de pyramidalisation de la liaison C=O pour qu’il y ait contact (Fig. 1): la mesure de l’effet isotopique secon- daire lointain dti au CD, axial (kH/kD = 0,97)3 confir- mant I’existence de telles contraintes steriques.

0,02.

R = CH30u CD3

Fig. I .

Cette pertubation sterique representant l’energie due aw interactions de non-liaison ira en croissant au fur et mesure que I’on tend vers les produits de la reaction. Nous nous retrouvons dans un cas analogue h celui observe lors de I’addition equatoriale de l’ion borohydrure et pour lequel nous avons mentionne” que I’application de la regle de la ((liaison reagissanten de Thornton’ permettait d’envisager un deplacement de I’etat de transition vers les produits de la reaction. En effet ctl’addition, Li une courbe de potentiel d’une perturbation de pente positive deplace I’ktat de transition vers les produits)). Appliquons cette regle A I’attaque equatoriale d’une cyclohexanone par Ntl,OH. Dam notre cas, les pertur- bations positives (b) representent les interactions de non- -liaison croissantes au fur et a mesure de l’avancement de la reaction (pente positive). Materialisons par le dessin ci-dessous (Fig. 2 ) le deplacement de I’etat de transition. Ceci revient h dire que I’etat de transition serait plus tardif avec les cetones encombrees (5 h 10) qu’avec une cetone oh n’apparait pas cette perturbation sterique

On peut alors se demander comment vont alors inter- venir les facteurs contribuant ii la valeur des effets isoto- piques si I’on envisage un tel deplacement de I’etat de transition? L’etat de transition etant plus tardif, cela implique que le degre de pyramidalisation du carbonyle est plus avanck pour les cetones encombrees qu’il ne l’est pour les cetones 1 ri 4. Cette pyramidalisation, plus accentuke dans 1’Ctat de transition, entraine que la liaison C-N, en cours de for- mation, ne se trouve plus selon une direction perpendicu- laire au centre reactionnel puisque la liaison C=O a deja

Effet stPriyue de compression.

(1 a 4).

’ E . R . Thornton, J. Am. Chem. SOC. 89. 2915 (1967). l o B. Boyer, These de Doctorat d’Etat, Montpellier 1978

214 B. Boyer et al. 1 RCactions d’addition nucleophile sur les citones

Etac de traneition

cyclohexanone

Fig. 2 . RPglr de la liaison rkayissante de Thornton.

( a ) Courhe de potentiel rkactionnelle initiale. ( b ) Perturbation supplernentaire positive (ici les effets

steriyues de compression). (c) Courbe de potentiel resultante.

Fig. 3. Modification de l’effet sterique & torsion.

bascule vers le haut. Le doublet de I’azote sera par conse- quent plus eloigne des liaisons C-H en c1 du carbonyle. De plus, et ainsi que nous I’avons vu lors de I’etude de diffraction des rayons X’O, les cetones substituees en p et p’ presentent dans l’etat initial un angle interne (a) inferieur a celui de la cyclohexanone. Ceci se traduit par un relkvement de la liaison C=O: le nucleophile subira moins I’influence des groupes methylenes adjacents au centre reactionnel. Ces d e w facteurs superposh ten- dent a diminuer l’effet sterique de torsion, voire a le rendre negligeable, par rapport a celui des cetones 1 a 4. La Figure 3 represente l’intervention de ces d e w facteurs precedemment decrits. L‘effet sterique de torsion n’intervenant pas ou peu, l’effet isotopique doit alors Ctre d’origine essentiellement hyperconjugative ( k H / k D < I ) : c’est effectivement ce qui est observe. I’inversion de I’effet isotopique sur k,, quand on passe des cyclohexanones 1 A 4 aux composes substitub en p et p’, est donc simplement due la disparition des effets steriques de torsion, par suite de modifications dans la disposition des liaisons C-H en CL du carbonyle dans I’Ctat initial et dam l’etat de transition. En conclusion, il est inttressant de souligner que les hypo- theses emises dans le cas de I’addition de BH,-, S0,HNa

et NH,OH, concernant les effets steriques a longue dis- stance qui interviennent dans la reactivite et qui dependent de la cetone etudite, sont tout a fait satisfaisantes puis- qu’elles nous ont permis d’expliquer aussi les rksultats obtenus dans les effets isotopiques. En particulier la valeur des effets isotopiques cinttiques secondaires du deuterium dans la reaction d’addition de I’hydroxylamine sur des cttones encombrees nous a donc permis de confirmer et de preciser les facteurs qui en sont a l’origine et de mettre en evidence le rBle important jouk par les ((effets steriques de compression)) dans l’interpretation des resultats. Nous avons pu montrer que l’intervention de ces facteurs steriques peut modifier sensiblement la position de I’etat de transition traduisant I’influence de I’environnement sterique sur la position de l’etat de transition. Ceci con- firme bien” que l’intervention des divers facteurs de reactivite depend fortement de la structure de la cetone mais aussi de la geometrie de l’etat de transition.

I ’ P. Genrste, G. Lamaty et J . P . Roquc, Tetrahedron Lett. 5007 (1970).