1

Révisions Orga 2

Spectroscopie – Réactions vues en première année

Problème 1 : Synthèse de l’acide (-)-acanthoïque

L’acide acanthoïque est un diterpène tricyclique isolé de l’Acanthopanax koreanum, arbuste

poussant dans l’île de Jeju en Corée, par Chung et ses collaborateurs en 1988. Des études sur les propriétés

biologiques de ce produit naturel ont mis en évidence que l’acide (-)-acanthoïque est un agent

antiinflammatoire puissant.

1) Quel est le degré (ou indice) d’insaturation de cette molécule ? Déterminer sa formule brute, en

comptant les atomes de carbone et d’oxygène, et en déduisant le nombre d’atomes d’hydrogène du degré

d’insaturation en expliquant.

2) À quelle fonction chimique de la molécule ci-dessus est due la partie « acide ...oïque » du nom de l’acide

(-)-acanthoïque ? Écrire cette fonction selon Lewis, ainsi que sa base conjuguée. Donner un ordre de

grandeur du pKa du couple correspondant. Comparer au pKa du couple CH3CH2OH/CH3CH2O- et interpréter

la différence.

3) Le (-) dans le nom de l’acide (-)-acanthoïque signifie que cette molécule est lévogyre. Rappeler ce que

cela signifie. Nommer l’appareil permettant de mesurer cette propriété

4) La synthèse proposée par LING et ses collaborateurs vise à obtenir l’acide (–)-acanthoïque de façon

stéréosélective. On s’intéresse dans ce problème uniquement aux premières étapes de cette synthèse.

22 mL d’une solution de butyllithium à 2,5 mol.L–1 dans l’hexane sont ajoutés à un mélange de 7,7 mL de

diisopropylamine et 200 mL de THF. L’ensemble est agité pendant 15 min à –78 °C. Un dégagement de

butane a lieu. 50 mmol d’éthanoate d’éthyle sont ensuite additionnés lentement puis le mélange

réactionnel est à nouveau agité pendant 45 min. On obtient alors [1], dont la structure est donnée ci-

dessous, ainsi que de la diisopropylamine.

2

3,35 g d’acroléine (prop-2-énal, masse molaire M = 56 g.mol -1) dans 10 mL de THF sont alors ajoutés

goutte à goutte et le mélange réactionnel est encore agité pendant 10 min. Après ajout de 10 mL d’une

solution aqueuse saturée de chlorure d’ammonium, le mélange est extrait par 3 fois 150 mL d’éther.

L’évaporation du solvant, puis une purification par chromatographie sur gel de silice permet d’obtenir 5,47

g de l’alcool allylique [2] souhaité (masse molaire M = 144 g.mol -1).

Les deux premières réactions ci-dessus, conduisant à [1], sont des réactions acido-basiques. Elles

doivent être menées en milieu parfaitement anhydre. Reconnaître les différentes couples acido-basiques

mis en jeu lors de ces deux étapes : les écrire et les placer dans le bon ordre sur une échelle de pKa. Placer

également le couple de l’eau adéquat, pour montrer pourquoi le milieu doit être parfaitement anhydre lors

de cette synthèse.

5) Le composé [1] réalise une addition nucléophile (Faites un coup de Google si vous ne comprenez pas le

terme ! ) avec le prop- 2-énal. Écrire cet acte élémentaire avec le symbolisme des flèches courbes et

déterminer la structure du produit formé après hydrolyse.

6) En déduire la structure de l’alcool allylique [2]. Quel est le rôle du chlorure d’ammonium ?

7) Expliquer l’intérêt de réaliser trois extractions avec 150 mL d’éther. Pourquoi est-ce préférable à une

seule extraction avec 450 mL d’éther ?

8) Nommer un dispositif expérimental qui peut être utilisé pour évaporer rapidement un solvant comme

l’éther.

9) Calculer le rendement de la synthèse de l’alcool allylique.

10) Le composé [2] est alors traité par le réactif de Jones, qui permet d’oxyder les fonctions alcool

secondaire en cétone. On isole alors un composé [3], dont le spectre RMN du proton présente les signaux

suivants :

- un multiplet entre 5,6 et 6,48 ppm, d’intensité relative 2 ;

- un multiplet à 5,58 ppm, d’intensité relative 1 ;

- un multiplet vers 4,2 ppm, d’intensité relative 2 ;

- un singulet à 3,63 ppm, d’intensité relative 2 ;

- un multiplet entre 1,25 et 1,31 ppm, d’intensité relative 3.

Écrire la structure de [3] et attribuer les signaux du spectre RMN aux protons correspondants Préciser

quelle multiplicité est attendue pour le signal vers 4,2 ppm et celui entre 1,25 et 1,31 ppm.

11) Le cétoester [3], la 2-méthylcyclohexane-1,3-dione et KF dans le méthanol sont agités à 25 °C pendant

16 h. Après traitement du milieu réactionnel, le solide [4] de température de fusion 68 °C est obtenu avec

un rendement de 74 %. Une masse de 5,95 g du composé [4], ainsi que 0,41 g d’acide

paratoluènesulfonique (APTS) et 1,7 g d’éthane-1,2-diol dans 100 mL de benzène sont chauffés à reflux

(dans un appareil de Dean Stark) pendant 4 h. Quand la réaction est terminée, le mélange réactionnel est

3

traité par 5 mL de triéthylamine puis le solvant est évaporé sous pression réduite. Après purification par

chromatographie, le composé [5] est obtenu avec un rendement de 74 %. Le composé [5] est ensuite

opposé à NaBH4 dans l’éthanol en présence de CeCl3 pour conduire à l’alcool [6] avec un rendement de

82 %.

Donner le nom de l’appareil permettant de mesurer une température de fusion.

12) L’APTS est un acide organique, qui fournit les ions H+ nécessaires pour le passage de [4] à [5]. L’appareil

de Dean-Stark est un montage de distillation particulier permettant de distiller l’eau au fur et à mesure de

sa formation, tout en recyclant le benzène dans le ballon. Sachant que seule la fonction cétone marquée

d’une étoile réagit :

- écrire la structure de [5] ;

- écrire le mécanisme de la réaction de passage de [4] à [5], en expliquant le rôle des ions H+ ;

- expliquer pourquoi il est nécessaire de distiller l’eau au fur et à mesure de sa formation.

13) Parmi les deux hypothèses suivantes, laquelle permet d’expliquer que quasiment seule la fonction

cétone marquée d’une étoile réagit :

a) est-ce parce que cette fonction cétone est plus électrophile que l’autre ?

b) ou bien est-ce parce que l’acétal formé à cet endroit est plus stable que celui se formerait sur

l’autre fonction cétone ?

14) On considérera pour simplifier que le réactif NaBH4 fournit un ion hydrure H- capable de réaliser une

addition nucléophile sur la fonction cétone, mais pas sur la fonction ester. En déduire la nature l’alcool [6].

15) Préciser l’intérêt de l’étape [4] → [5].

16) Une succession de réactions, qui ne seront pas détaillées dans cette épreuve, conduit au composé [7]

ci-dessous :

[7] est traité par une solution d’acide chlorhydrique à 1 mol.L–1 à 25 °C. La réaction est contrôlée par chromatographie sur couche mince. Lorsque les réactifs ont disparu, une solution de carbonate de sodium est additionnée afin de neutraliser le milieu. 100 mL d’eau et 100 mL d’éther sont ensuite ajoutés et l’ensemble est placé dans une ampoule à décanter. La phase aqueuse est extraite avec 3 fois 100 mL d’éther. Les phases organiques combinées sont ensuite séchées sur MgSO4. Le solvant est évaporé et la cétone [8] est isolée après purification par chromatographie.

Donner la représentation topologique de [8] et écrire le mécanisme de sa formation.

4

Problème 2 : Substitutions nucléophiles

1) Prédire et comparer les résultats stéréochimiques des réactions de substitution qui se produisent

lorsque le (S)-2-bromobutane :

a) est dissous dans l’ acide méthanoïque ;

b) est soumis à l’action du méthanoate de sodium dans le DMSO.

2) Prévoir, dans les couples de réactifs suivants, lequel des composés est le plus rapidement hydrolysé

lorsqu’on le dissout dans un mélange d’eau et d’acétone.

a) 1-chlorobut-2-ène ou 2-chlorobut-1-ène ;

b) (CH3)3CCl ou Ph3CCl ;

c) CH3-O-CH2-CH2-Cl ou CH3-CHCl-O-CH3.

3) Restituer à chaque réaction ci-dessous le profil réactionnel qui lui correspond et écrire les structures de

chaque espèce annotée sur les courbes d’énergie sous forme d’une lettre majuscule.

a) (CH3)3CCl + (C6H5)3P →

b) (CH3)2CHI + KBr →

c) (CH3)3COH + HBr →

d) CH3CH2Br + NaOCH2CH3 →

4) Pour chacune des quatre réactions de substitution nucléophile suivantes, on demande :

- d’identifier et d’écrire le mécanisme réactionnel ;

- d’écrire la loi de vitesse de la réaction ;

- d’interpréter la variation de la constante de vitesse avec le solvant (les valeurs fournies sont

relatives à la valeur la plus faible de la série).

5

Problème 3 : Spectroscopie RMN

1) Identification d’un hydroxycétal par RMN (Agro 2004)

Le spectre de RMN du proton du composé ci-contre fait apparaître,

entre autres :

-un doublet intégrant pour 3H de déplacement chimique =

0,96 ppm (noté a)

-un singulet intégrant pour 6H de déplacement chimique

= 1,36 ppm (noté b)

-un multiplet mal résolu intégrant pour 1H de déplacement

chimique = 1,85 ppm (noté c)

-un multiplet mal résolu intégrant pour 1H de déplacement

chimique = 4,12 ppm (noté d)

O

O

OH

Identifier les protons correspondant à ces quatre signaux dans la molécule.

2) Détermination de proportions dans un mélange par RMN (Agro 2005)

Le spectre RMN de 7 pur présente un massif à

6,86 ppm intégrant pour un proton et celui

de 8 pur un massif à 6,73 ppm intégrant pour

trois protons.

Le spectre d’un mélange de 7 et 8 présente un

massif à 6,73 ppm et un singulet à 6,86 ppm.

L’aire du massif à 6,73 ppm est exactement

double de celle du singulet à 6,86 ppm. En

déduire les proportions de 7 et 8 dans ce

mélange.

O

O

O

O

O

O

8

7

6

3) Mesure d’un couplage et application

Le spectre de R.M.N. (60 MHz) d'un cinnamonitrile de formule PhCH=CH-CN, est constitué d'un massif à

7,45 ppm, et de deux fois deux pics à 5,72 et 6,01 ppm d'une part, 7,30 et 7,59 ppm d'autre part.

1. Ecrire la formule topologique de cette molécule . Quelle ambiguïté n'est pas levée par la donnée de la formule ci-dessus?

2. Calculer la constante de couplage. Est ce un couple du premier ordre ?

3. Pour quelle raison les déplacements chimiques des deux protons éthyléniques sont-ils si différents? Répondre par une raisonnement sans l’aide des tables.

4. Assigner les signaux du spectre de R.M.N. 1H et lever l’ambiguïté soulevée à la question 1.