Aurélie 05/12/12
 

 

Diels-Alder, régiosélectivité ; ylures de phosphore : Capes physique chimie 2013.



 


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La cétone 12 est obtenue par une réaction de Hajos-Parrish en utilisant la (R)-proline.
A une solution d'intermédiaire A' (13) dans le tétrahydrofurane ( THF), une solution aqueuse d'acide chlorhydrique à 1 mol/L est ajoutée goutte-à-goutte à 25°C sous agitation. L'évolution de la transformation est suivie par chromatographie sur couche mince ( CCM) ce qui permet de l'arrêter dès que le substrat 13 a entièrement disparu. Après traitement,le composé 14 est obtenu. Ce dernier est ensuite transformé en composé 15.


Pourquoi est-il préférable d'ajouter l'acide chlorhydrique goutte à goutte et de stopper la réaction dès que le composé 13 a entièrement disparu ? Quel élément de verrerie permet cet ajout progressif ?
Une ampoule de coulée permet l'ajout progressif de l'acide chlorhydrique afin de déprotéger la cétone, sans hydrolyser l'ester.

Sur cet exemple, décrire succinctement le principe du suivi d'une transformation chimique par CCM.
A intervalle de temps régulier, déposer sur une plaque CCM à l'aide d'une micropipette, le composé 13 ( servant d'étalon ) et une goutte du milieu réactionnel. Après révélation, on cherche à identifier le composé 13 dans le milieu réactionnel.
Comment obtenir le composé 15 à partir du composé 14 ?
L'action d'un organomagnésien acéthylénique sur la cétone donne un alcool tertiaire.
Le milieu doit être parfaitement anhydre et le solvant utilisé est par exemple l'éther éthylique.

Les magnésiens
acéthylèniques ne sont pas préparés directement, mais par action d'un alcyne vrai sur un organomagésien.
Le composé 15 est alors hydrogéné à l'aide d'un catalyseur empoisonné de Lindlar pour conduire au composé 16. Une solution du composé 16 est ensuite traitée successivement par le trichlorure de phosphore PCl3 puis par la pyridine pour conduire au diène 17 de formule brute C16H24O2.
Donner la structure du composé 16.
Hydrogénation de l'alcyne en alcène.
Le passage du composé 16 au diène 17 est globalement une déshydratation.
Montrer comment les conditions expérimentales permettent effectivement de réaliser cette transformation.
L’action de PCl
3 sur l'alcool conduit à la formation d'un dérivé chloré et à HCl ; ce dernier est neutralisé par la pyridine, une base. En milieu basique, le dérivé chloré peut subir une réaction d'élimination qui conduit à un alcène. .
Quelles sont les conditions usuelles de déshydratation d'un alcool ? Pourquoi ces conditions ne sont-elles pas applicables ici ?
L'élimination d'eau peut être effectuée en présence d'un acide fort comme 
H3PO4. Avec un alcool tertiaire un léger chauffage en présence d'acide dilué est suffisante. Les conditions seront plus dures pour un alcool prilmaire ( acide concentré vers 180°C ). Dans ce cas, en milieu acide, l'ester sera  hydrolysé.

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L'action de la méthacroléine 18 sur le diène 17 conduit quantitativement au composé 19.

Quel est le nom de la réaction du passage de 17 à 19 ?
Réaction de Diels-Alder.
La régiosélectivité de cette réaction n'est pas satisfaisante puisque les substituants du cycle III sont positionnés sur l'atome de carbone 14 au lieu du 13. On cherche à interpréter cette régiosélectivité : on donne ci-dessous les énergies et les formes des orbitales moléculaires (OM) frontières du composé 17 modélisé par le (E)-3-méthylpenta-1,3-diène et de la macroléine ( composé 18) calculées par la méthode de Hückel simple.
HO : orbitale la plus haute occupée ; BV : orbitale la plus basse vacante ; Ci ou Oi coefficient de l'orbitale atomique relative à l'atome Ci ou Oi.


OM
énergie
C1
C2 C3 C4 C5 C6
HO
a+0,45 ß
0,55
0,24
-0,44
-0,58
0,26
0,20
BV
a-0,70 ß 0,60
-0,42
-0,30
0,58
-0,15
0,08
OM
énergie
O1
C2
C3 C4 C5
HO
a+0,86 ß 0,47
-0,07
-0,53
-0,62
0,33
BV
a-0,36ß 0,44
-0,60
-0,23
0,63
0,07
Identifier les OM permettant l'interaction orbitalaire la plus favorable entre les deux réactifs ? Justifier.
Il faut que les niveaux des orbitales frontières de A et B soient le plus proche possible.
Faisons le calcul de la différence des niveaux d'énergie :
DE = BV(diène B) -HO(A) =a-0,70 ß -(a +0,86 ß )= -1,56 ß.
DE = BV(A) -HO(B) =a-0,36 ß -( a+0,45 ß) = -0,81 ß.
Il y a donc interaction entre la BV de A et la HO du diène B.
Prévoir le produit majoritairement obtenu dans l'hypothèse d'un contrôle orbitalaire.

L'une des liaisons se forme avant l'autre et détermine donc le sens de la cycloaddition. La liaison qui se forme le plus facilement est celle reliant les atomes ayant les plus grands coefficients des orbitales frontières.  Le composé obtenu majoritairement est donc l'isomère 2.
Cette modélisation permet de rendre compte de la régiosélectivité observée lors de la réaction de passage de 17 à 19.





Le groupe de E.A. Theodoraks a alors dû modifier sa stratégie de synthèse afin d'obtenir la régiosélectivité requise pour obtenir ultérieurement l'acide acanthoïque. Le début de cette nouvelle voie, non décrite ici, a permis d'obtenir l'alcool 20, en sept étapes, à partir du composé 15 obtenu précédemment. L'alcool 20 est ensuite transformé en aldehyde 21. Ce dernier est alors traité par l'ylure de phosphore H2C=PPH3 dans le THF pour donner le composé 22 de formule brute C21H32O2. Le composé 22 est enfin transformé en acide acanthoïque dans une dernière étape.

Proposer un réactif permettant le passage de l'alcool 20 à l'aldehyde 21. De quel type de  réaction s'agit-il ?
L'oxydation douce de l'alcool primaire à l'aldehyde peut être réalisée en utilisant le complexe CrO3/pyridine.
Donner la structure du composé 22 Quel est le nom de la réaction du passage de 21 à 22 ?
La réaction de Wittig ( l'addition d'un ylure de phosphore sur un composé carbonylé ) donne un composé éthylénique.

Proposer une synthèse en plusieurs étapes de l'ylure de phosphore à partir de iodométhane et de composés de votre choix.
Préparation de la triphénylphosphine : 3Ph-MgCl + PCl3 ---> PPh3 + 3MgCl2.
Substitution nucléophile de la triphénylphosphine sur un dérivé halogéné dans l'acétone.
PPh3 +CH3I --->Ph3 P+--CH3 + I-.
Ph3 P+--CH3 + nBuLi  ---> Ph3 P+--CH2- + BuH. ( solvant THF ).
[
Ph3 P+--CH2- <---> [Ph3 P=CH2 ].
Proposer une méthode pour passer du composé 22 à l'acide (-)-acanthoïque.
Hydrolyse basique ( saponification ) de l'ester méthylique suivi de l'ajout d'acide pour passer de l'ion carboxylate à l'acide carboxylique.




 


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