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LES ALCENES: REACTIONS DE COUPLAGE .................................................... 2

I-REACTION DE DIELS ALDER DANS LE MODELE DE LEWIS : OBTENTION DE CYCLES ... 2

1- Bilans dans le sens direct et indirect 2 1-A LA REACTION DE DIELS ALDER : SENS DIRECT 2 1-B LA REACTION DE RETRO DIELS ALDER : SENS INDIRECT 2

2- Mécanisme selon lewis : mécanisme concerté supra-supra 3 3- Les insuffisances du modèles de Lewis 6

II- METATHESE DES ALCENES ................................................................................................. 7

1- Le mécanisme simplifié 8 2- Les 4 types de bilans de métathèse des alcènes ( vocabulaire ) 9 3- Délicate sélectivité des réactions de metathèse 10

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LES ALCENES: REACTIONS DE COUPLAGE Il est possible d’allonger la chaîne carbonée, par réaction de fonctions alcènes entre elles, hors de toute considération de type nucléophile / électrophile.

I- LA REACTION DE DIELS ALDER DANS LE MODELE DE LEWIS : OBTENTION DE CYCLES

1- Bilans dans le sens direct et indirect

1-A LA REACTION DE DIELS ALDER : SENS DIRECT Découverte en 1924, cette réaction réalisée avec un mélange de buta 1,3-diène et d’éthylène fortement chauffé conduit entre autres au cyclohexène (minoritaire) et au 4-vinyl cyclohèxène.(majoritaire) :

+ +chauffage

200°C Réaction exothermique : rH°DA < 0

4 e- 2 e- minoritaire majoritaire La réaction fonctionne entre un DIENE à 4 électrons et une double liaison unique à 2 électrons , appelée DIENOPHILE , permettant d’obtenir la formation d’un cycle à 6 centres, avec une fonction alcène intra cyclique. Elle est appelée aussi cycloaddition thermique 4+2 . On montre que cette réaction ne peut se produire que si les deux fonction alcènes peuvent se placer en conformation éclipsée, dans le même plan :

Conformation SYN ( ou cis ) compatible avec la réaction de Diels Alder

Conformation TRANS incompatible avec la réaction de Diels Alder

Par exemple :

+ MAIS +

RIEN

1-B LA REACTION DE RETRO DIELS ALDER : SENS INDIRECT Par un chauffage encore plus intense, la réaction est renversable. Tout cycle à 6 centres avec 1 double liaison intracyclique peut s’ouvrir pour donner un diène et un alcène.

chauffage

T>>200°C+

Exemple : Ce résultat peut se justifier en thermodynamique :rS°DA < 0 ; comme rH°DA < 0 => rG°DA change de signe avec T Exercices 1 : Savoir construire un cycle , prévoir le diène et le diénophile nécessaire ( rétrosynthèse ) pour construire un cycle souhaité, reconnaître une réaction de Diels Alder et une rétro Diels Alder.

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2- Mécanisme selon lewis : mécanisme concerté supra-supra ● Présentation Ce mécanisme se note de façon classique par un système à 3 transferts électroniques simultanés, donc c’est un mécanisme concerté .

+ +

La particularité de cette réaction est que les deux molécules se placent dans 2 plans parallèles, l’un au dessus de l’autre ( les 2 positions étant envisageables ) . Cette disposition en 2 plans parallèles superposés prend le nom de mécanisme supra-supra. Globalement, le mécanisme est donc concerté supra-supra, présenté ici dans les 2 positions relatives possibles. Rappel : La simple liaison intermédiaire du diène( entre les 2 doubles ), doit obligatoirement adopter la conformation syn ( ou cis) telle que schématisée ci-dessous. On parle du diène en conformation syn.

d

dx

x dd

x

xsoit

x

xd

d

1

2

3 4

1

2

3 4

1

2

3

4

ab a

b

a

b

x

d

soit

d

dx

x

d

dx

xx

1

2

34

1

2

3 4

1

2

3

4a

b

a

b

a

b

d

● Conséquences stéréochimiques :

Étude des carbones a et b si le diénophile présente une stéréochimie

Imaginons un plan vertical passant par les atomes 1, 4, b et a . Le diène est totalement à gauche de ce plan. Les 2 groupes notés d sont aussi à gauche de ce plan, et donc sous ou sur la structure diénique : on dit qu’ils sont à l’intérieur de la structure à 4 e- , c’est la raison pour laquelle cette position particulière est appelée endo ( pour intérieur ), et ces groupes notés dans ce cours d.

Par opposition, les deux groupes restés à droite du plan vertical sont donc extérieurs à la structure diénique ( 4 e- ), cette position est appelée exo, et ces groupes notés x .

Dans la structure cyclique formée, les deux groupes endo se trouvent tous les deux du même côté du plan moyen du cycle, et de même pour les deux groupes exo. On obtient le mélange racémique, car les positions endo et exo peuvent être inversées, si l’alcène se retourne, de même que les positions supra-supra du diène et du diénophile.

On peut dire aussi que si le diénophile attaque sous le diène, les groupes endo descendent ( gênés par le diène qui est au dessus ) et les groupes exo montent. Inversement, si le diénophile attaque sur le diène, les groupes endo montent ( gênés par le diène qui est au dessous ), et par conséquent les groupes exo descendent .

Sur les 4 stéréoisomères a priori possibles, on n’en obtient que 2 : la réaction est DIASTEREOSPECIFIQUE

3 Exemples : prévoir le résultat des réactions suivantes :

+

+

+

mais avec un seul groupe présent sur le diénophile, soit un diénophile sans propriété stéréochimique :

Étude des atomes 1,4,a et b si le diene ET le diénophile présentent une stéréochimie Adoptons pour le diène une représentation dans le plan de la feuille , la position supra-supra se dessine donc avant-arrière ( ici arbitrairement diène arrière, et diénophile avant ) . Le plan définissant les positions endo et exo est ici horizontal, toujours défini par les atomes 1, 4, b et a. Par rapport à ce plan, les groupes notés h sont en haut ( du même côté que les groupes exo x du diénophile ) et les groupes notés b sont en bas ( du même côté que les groupes endo d du diénophile )

b

h

b

h

x

d

x

d

h h

b b

d d

x x soit

h h

x xb b

d d

1

2 3

4

a ba b a b

12 3

4

1

2 3

4

On constate que les positions respectives sont conservées dans la formation concertée du cycle: les groupes pointant vers le même ½ espace avant réaction pointent vers le même ½ espace après réaction.

Ce que l’on peut schématiser de la façon suivante, plus simplement (c’est cette schématisation que vous adopterez…)

+

groupes endo

groupes exo

1

2 3

4 1

2 3

4a b

a b

Attention : le diénophile pouvant se retourner / diène, les groupes du diénophile peuvent a priori échanger les positions endo et exo. Sur les 24 = 16 stéréoisomères a priori possibles, on n’en obtient au maximum que 4, qui dépendent de la stéréochimie du diène et du diénophile : la réaction est STEREOSPECIFIQUE

4 Exemples : Prévoir le résultat des réactions suivantes en admettant que les groupes esters attaquent préférentiellement en endo, et que les groupes OsiMe3 attaque en exo :

+

EtOOC

EtOOC

Me3SiO

Me3SiO

+

EtOOC

COOMe

+

Étude des carbones 1 et 4 si seul le diène présente une stéréochimie Exemples : Prévoir le résultat des réactions suivantes :

E

Z

E

E

Z

Z

mais+

+

+ +

La réaction de Diels Alder est donc STEREOSPECIFIQUE Exercices 2 : Savoir utiliser le mécanisme supra/supra pour prévoir la stéréochimie du produit de la réaction de Diels Alder. Comprendre le vocabulaire endo/exo. Raisonner en rétrosynthèse en tenant compte de la stéréochimie.

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3- Les insuffisances du modèles de Lewis En réalité, les propriétés de la réaction de Diels Alder sont beaucoup pointues : elle présente une part de stéréosélectivité, et elle est régiosélective . D’un point de vue cinétique, certaines réactions sont plus rapides que d’autres. Le modèle de Lewis ne permet d'interpréter aucun de ces 3 résultats expérimentaux, ou difficilement. Exemples : Donner tous les produits envisageables par la réaction de Diels Alder dans le modèle de Lewis dans les exemples suivants :

tBu

CO2Me

+

En réalité, les produits ………………………………………………………………………sont ultraminoritaires…

O

EtOOC

+

En réalité, les produits ………………………………………………………………………sont ultraminoritaires… Seul le modèle des orbitales moléculaires permet de justifier ces résultats expérimentaux, ce que nous verrons dans le cours "réactivité dans le modèle des orbitales moléculaires".

6 II- METATHESE DES ALCENES La première réaction de métathèse a été observée en 1931 , elle se produisait à très haute température ( 725°C )

CH3

CH

CH2

CH3

CH

CH2725°C

CH2 CH2

CH3

CH CHCH3

éthène

but 2-ène

propène

En 1964, R.L Bank réalise la même réaction en catalyse hétérogène ( catalyseurs du type Mo(CO)6 ou W(CO)6 , sur un support solide de silice ou d'alumine ) , à des températures plus basses : jusqu'à 150°C seulement. En 1971, Yves Chauvin et son thésard Jean-Louis Hérisson publient un article proposant le mécanisme exact de ce type de réactions, lorsqu'elles se produisent avec des catalyseurs métalliques. Malheureusement, leur article n'est pas suffisamment lu, et il faudra encore 20 ans avant que ce mécanisme exploité ne permette l'élaboration de catalyseurs plus performants et commerciaux. C’est ainsi que en 1995 Robert Grubbs met au point un catalyseur commercial à base de Ruthénium fonctionnant avec des alcènes qui portent d'autres fonctions ( oléfines fonctionnelles ) , puis en 1998 Richard Schrock propose un catalyseur à base de molybdène pour des réactions de métathèse énantiosélectives. En 2000, R.Grubbs propose un catalyseur commercial, toujours au Ruthénium, dit de 2° génération, stable thermiquement et à l'air, et sa version chirale en 2001. Les travaux de Y. Chauvin, R. Grubbs et R. Schrock furent récompensés par le partage du prix Nobel de chimie en 2005. Les synthèses chimiques utilisant de tels catalyseurs, se faisant à température ambiante, de façon énantiosélective, rentrent dans le cadre de la chimie verte . Quelques catalyseurs :

Schrock ( 1988 ) Kress et Osborn ( 1983 ) Basset ( 1985) Schrock ( 1990 ) , commercial

Grubbs ( 1992 ) Grubbs ( 1995 ), commercial Grubbs (2° génération ) (2001) Stable à l'air et T ambiante CHIRAL Tous ces catalyseurs ont un point commun : la double liaison entre le métal et un carbone. C’est cette double liaison qui est l’élément actif du catalyseur , ce qui explique que l’on se contente de les noter : M = C – R en règle générale, en mentionnant leur nom à côté parfois ( Griubbs, Shrock, etc… )

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1- Le mécanisme simplifié

précurseur du catalyseur Ru

Ph Les autres ligands ne sont pas mentionnées ici dans un souci de simplification. L'important est la DOUBLE LIAISON métal carbone

initiation Ru

Ph

R1

Ru

Ph

R1

Ru

R1

Ph

+

cycle catalytique

R1

+

R2 R1R2

+Bilan

Ru

R1

R2

Ru

R1

R2

R1

R2

Ru

R1

R1

Ru

R1

R2

catalyseur

La réaction de métathèse est équilibrée MAIS elle est facilement déplacée lorsqu'un sous-produit est gazeux : son élimination déplace l’équilibre et permet de rendre la réaction totale. Le cycle catalytique doit vous être fourni, mais on attend de vous que vous connaissiez le principe de la formation d’un intermédiaire cyclique à 4 centres DONT LE METAL, dont la décomposition fournit le produit de couplage. Exercices 3 : Savoir analyser un cycle catalytique de métathèse : différencier catalyseur et pré-catalyseur, et donner le bilan de la réaction. Extrapoler à d’autres cycles catalytiques, pour d’autres types de réactions.

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2- Les 4 types de bilans de métathèse des alcènes ( vocabulaire ) ●Métathèse croisée ou CM ( C pour Crossed ) C'est la base de tous les autres types de métathèse, pour résumer : C1=C2 + C’1=C’2 C1=C’1 + C2=C’2

Soit, par exemple, avec des alcènes terminaux :

R1

+

R2 R1

R2

+

Cette réaction est présentée ici avec les alcènes les plus réactifs. Elle fonctionne avec d'autres types d'alcènes. ● Métathèse par fermeture de cycle ou RCM ( R pour Ring , C pour Closing ) Cela représente l'immense majorité des réactions de métathèse. Elles fonctionnent bien sûr très bien pour fermer des cycles à 5 centres, favorisés en raison de la proximité naturelle des sites réactifs, mais fonctionne aussi particulièrement bien pour fermer des cycles à très longue chaîne à condition que les alcènes soient des alcènes terminaux. Elle fonctionne alors même mieux que la métathèse croisée simple.

+

● Métathèse de polymérisation des diènes acycliques ou ADMET (Acyclic Diene METathesis )

n+ n

● Métathèse de polymérisation par ouverture de cycle ou ROMP (O pour Opening )

n

n

Exercices 4 : Savoir reconnaître et utiliser la réaction de métathèse en synthèse et en rétrosynthèse. Extrapolation à la métathèse des alcynes.

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3- Délicate sélectivité des réactions de metathèse

La grosse difficulté en métathèse est d'éviter les mélanges de produits, ne serait-ce que par l'orientation de la double liaison lorsqu'elle s'approche du catalyseur.

Grubbs et son équipe ont mis au point un modèle empirique qui classe les oléfines en 4 groupes, du plus réactif au moins réactif :

Groupe 1 : réagissent rapidement en dimérisation et les dimères peuvent à nouveau réagir par métathèse. Ce sont les alcènes terminaux, les alcools allyliques primaires par exemple. Plus généralement, des alcènes peu encombrés ET riches en électrons

Groupe 2 : La réaction dimérisation par métathèse est lente, et leur produit de réaction ne réagit quasiment plus en métathèse : styrène, propénal et -énones, alcool allylique secondaire.

Groupe 3 : ne réagissent pas en dimérisation, mais peuvent réagir par métathèse avec les molécules du groupe 1. Par exemple, les alcènes trisubstitués, ou les alcools allyliques tertiaires.

Groupe 4 : Ne réagissent pas en métathèse mais ne sont pas des poisons du catalyseur : n'empêchent pas d'autres réactions de métathèse de se produire par ailleurs.

Au delà : inhibent le catalyseur, sans réagir.

Du groupe 2 au 4 , les alcènes sont de plus en plus pauvres en électrons et encombrés.

Sans avoir à la connaître par cœur, cette classification doit vous guider dans l'interprétation des réactions de métathèse.

On retiendra surtout que la réaction des alcènes terminaux est prioritaire car le dégagement gazeux du sous-produit éthylène empêche toute autre réaction parasite de métathèse de ce sous-produit, et de plus, déplace l’équilibre dans le sens de formation de la molécule couplée.

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EXERCICES : ALCENES : LES REACTIONS DE COUPLAGE Exercice 1-1 :

a- Le cyclopentadiène réagit par réaction de Diels Alder avec le cyclohexène. Quel est le produit A obtenu ?

b- Le cyclohexa1,3 diène réagit par réaction de Diels Alder avec le cyclopentène. Quel est le produit B obtenu. Par chauffage intense de B, on observe un dégagement gazeux ( éthène ) : Justifier et en déduire le bilan de la réaction de rétro-Diels Alder qui s’est produite.

c- Le propénal réagit sur de l’éthylène par réaction de Diels Alder. Proposer le produit obtenu.

d- Que donne l’action du but-2-yne sur du butadiène, par réaction de Diels Alder ?

e- Par chauffage du triène A ci dessous, le composé B est obtenu. Donner la structure du composé B et

nommer la réaction correspondante.

PhH2CO

Me3SiO

A

B

(Extrait CCP) Exercice 1-2 :

Données :On admettra 1°) que l’anthracène réagit comme un diène par son cycle central. 2°) que les cycles benzène sont inertes dans les conditions employées.

Soit le 2,4 diméthyl, 5-hydroxy hex-3 ène. Il est chauffé à 200°C en présence d’anthracène .Le produit obtenu A est alors, toujours à chaud, mis en présence d’APTS. Le produit B obtenu subit l’action du MCPBA en présence d’hydrogénocarbonate de sodium . On isole C ( on observe un léger dégagement gazeux ) . On fait réagir sur C le bromure de méthyl magnésium. Après hydrolyse acide, on isole le produit D majoritaire. D pur est alors chauffé à 350°C, on obtient alors un mélange. La distillation de ce mélange permet d’isoler l’anthracène et E.

Déterminer la structure de toutes les espèces mentionnées. Quel a été le rôle de l’anthracène ? Exercice 1-3 :

a- Dans l’étape 12 13 , on réalise une réaction de Diels Alder entre 12 et 12’ .

Donner les formules topologiques de 12 et 12’.

b- Proposer une molécule insaturée qui avec l'éthylène peut fournir :

11 Exercice 2-1 : Le cyclopentadiène réagit par la réaction de Diels Alder avec l’anhydride butènedioïque par une réaction de Diels Alder. Sachant que l’anhydride attaque en endo, en déduire le(s) produit(s) obtenu(s). Exercice 2-2 : On donne le résultat de la réaction de Diels Alder ci-dessous.

a- En déduire quelle double liaison s’est montrée plus réactive, et la régiosélectivité de la réaction. b- Déterminer tous les stéréoisomères qu’il est possible d’obtenir pour A, en précisant leurs descripteurs

stéréochimiques.

O

Me3SiO

+COOMe

O

Me3SiO

COOMe

H

A

c- En réalité, le groupe ester attaque très majoritairement en endo. Conclure sur les stéréoisomères réellement obtenus.

Exercice 2-3 : On souhaite obtenir le produit C suivant :

a- Décrire précisément (stéréochimie) les réactifs nécessaires, et le (les) positionnement(s) stéréochimiques des réactifs qui conduiront au produit C.

b- Sachant que le groupe ester attaque prioritairement en endo, en déduire tous les autres stéréoisomères qui accompagneront le produit souhaité.

O

O

12 Exercice 3-1

Exercice 3-2

a- Présenter le bilan du mécanisme d’Evans. Identifier le pré-catalyseur et le catalyseur. b- Ce pré-catalyseur est utilisé dans une autre réaction connue : la rappeler, et nommer ce (pré) catalyseur. c- Le produit obtenu par le mécanisme d’Evans peut être transformé en alcool : proposer une méthode.

Dans le cycle catalytique ci-contre, identifier le précurseur du catalyseur, le catalyseur, le(s) réactif(s) et le(s) produit(s) de la réaction. Un élément est manquant dans le cycle ainsi présenté : le compléter. Donner le bilan de la réaction, en mentionnant le pré-catalyseur sur la flèche, ainsi que le sous-produit issu de l’évolution du pré-catalyseur.

13 Exercice 3-3 : Exercice 4-1

subit une réaction de métathèse par fermeture de cycle à l'aide d'un catalyseur de Schrock . Quel est le produit obtenu ? Exercice 4-2

subit une métathèse dite en cascade ( ouverture suivie de fermeture de cycle dans la même étape ) en présence d'un catalyseur de Grubbs de 2° génération. Quel est le produit obtenu ?

Le cycle ci-contre présente la réaction de couplage de Suzuki. En présenter le bilan. Préciser le précatalyseur et le catalyseur. La réaction de métathèse est une réaction de couplage d’alcènes. Justifier que cette réaction porte aussi le nom de couplage.

14 Exercice 4-3 Proposer le(s) réactif(s) permettant d'obtenir les produits suivants par métathèse :

(a) (b) (c) Exercice 4-4 Les alcynes peuvent aussi réagir en métathèse comme le prouve le schéma suivant :

Application : Compléter les cadres ci-dessous, indiquer le catalyseur , et le bilan de la réaction.