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DS 4 – 10 décembre 2016

Orbitales moléculaires Chimie organique

Cinétique chimique (PCSI)

1 – Synthèse du (±)-2-thiocyanatoneopupukeanane (Mines 2016)

Le (-)-2-thiocyanatoneopupukeanane et le (-)-4-thiocyanatoneopupukeanane sont des composés qui ont été isolés en 1991 à partir d’éponges de la région d’Okinawa (Japon) et de Pohnpei (Micronésie). Les thiocyanatoneopupukeananes sont intéressants à plus d’un titre. D'une part, certains de ces composés ont montré une activité sélective contre des tumeurs solides. D’autre part, les composés naturels comportant le groupe thiocyanato –SCN sont extrêmement rares. Enfin, de par leur motif isotwistane, ces molécules sont des cibles synthétiques intéressantes.

(-)-2-thiocyanatoneopupukeanane isotwistane (-)-4-thiocyanatoneopupukeanane Ce problème est adapté des publications T. Uyera et al., Tetrahedron Lett., 2001, 42, 699-702 et A. Srikrishna et al., J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, 2000, 3191-3193. 1- Quelle est la relation d’isomérie entre les molécules de (-)-2-thiocyanatoneopupukeanane et de (-)-4-

thiocyanatoneopupukeanane?

2- Que signifie le symbole (-) dans (-)-2-thiocyanatoneopupukeanane ?

3- Quels sont les atomes de carbones asymétriques de la molécule de (-)-2-thiocyanatoneopupukeanane ?

4- Déterminer, en le justifiant, le descripteur stéréochimique de l’atome de carbone 2 de la molécule de (-)-2-thiocyanatoneopupukeanane.

Synthèse du (±)-2-thiocyanatoneopupukeanane Dans du benzène, on introduit du 1-méthoxy-4-méthylcyclohexa-1,4-diène A et du 2-chloroacrylonitrile B, puis le milieu est porté au reflux pendant 9h. Dans le milieu réactionnel, A s’isomérise facilement en 1-méthoxy-4-méthylcyclohexa-1,3-diène A’ qui réagit ensuite avec B pour donner C et C’ avec un rendement global de 72%.

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5- Comment s’appelle la réaction qui se produit entre A’ et B ?

6- Pourquoi l’isomérisation de A en A’ est-elle qualifiée de "facile" ? Expérimentalement, on observe que la réaction précédente est très fortement régiosélective puisque dans le mélange final, on obtient plus de 99,9% de C et moins de 0,1% de C’. 7- A l’aide du Document 1 ci-dessous, proposer une explication au fait qu’on obtient plus de C que de C’.

Document 1 – Données orbitalaires sur les composés A’ et B

On suppose que la réaction entre A’ et B est analogue à la réaction « modèle » mettant en jeu A’’ et B, représentés ci-après. On suppose que la réaction est sous contrôle cinétique orbitalaire.

Les orbitales moléculaires 𝛹𝑖 de symétrie 𝜋 des molécules A’’ et B, ont été obtenues par la méthode « Hückel simple ». Elles sont obtenues par combinaison linéaire des orbitales atomiques (2𝑝𝑧)𝑗 des atomes de chaque molécule.

Le coefficient 𝑎𝑖𝑗 représente le coefficient de l’OA (2𝑝𝑧)𝑗 de l’atome numéroté 𝑗 dans l’orbitale moléculaire 𝛹𝑖 .

Tableau 1 – Orbitales moléculaires de A’’

Coefficient 𝑎𝑖𝑗 de l’orbitale atomique (2𝑝𝑧)𝑗 de l’atome 𝑗 dans l’OM 𝛹’’𝑖

Énergie atome 1 atome 2 atome 3 atome 4 atome 5 atome 6 atome 7

𝛹′′5 𝛼 + 0,36𝛽 -0,51 -0,41 0,36 0,54 -0,23 0,28 -0,12

𝛹′′6 𝛼 − 0,77𝛽 0,60 -0,32 -0,35 0,59 -0,15 -0,18 0,05

Tableau 2 – Orbitales moléculaires de B

Coefficient 𝑎𝑖𝑗 de l’orbitale atomique (2𝑝𝑧)𝑗 sur l’atome 𝑗 dans l’OM 𝛹𝑖

Énergie atome 1 atome 2 atome 3 atome 4 atome 5

𝛹3 𝛼 + 0,80𝛽 -0,62 -0,50 0,17 0,15 0,57

𝛹4 𝛼 − 0,51𝛽 -0,63 0,32 -0,05 0,48 -0,52

Attention, α et β sont des constantes négatives issues des calculs de la méthode de Hückel simple. Ainsi, l’énergie « α + β » est inférieure à l’énergie « α – β ».

8- Le produit C est obtenu sous forme de 4 stéréoisomères de configuration. Les représenter et expliquer leur formation.

9- Le mélange final est-il optiquement actif ? Justifier.

10- En étudiant les éventuelles interactions secondaires, prévoir lesquels des 4 stéréoisomères seront obtenus de façon majoritaire.

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Lors de l’hydrolyse basique de C, on observe que le motif chloronitrile est converti en groupe carbonyle (le détail de cette réaction n’est pas étudié ici) : on obtient ainsi D sous forme d’un mélange racémique avec un rendement de 75%.

11- Analyser le spectre RMN de D ci-dessous et attribuer chaque signal au(x) noyau(x) qui en est (sont) responsable(s).

Document 2 – Spectre RMN 1H de D

Nom du signal

Déplacement chimique 𝛿 / ppm

Intégration Multiplicité Constante de

couplage 𝐽 / Hz

D

a 1,27 3H s -

b 1,35-2,20 6H m -

c 3,45 3H s -

d 6,05 1H d 8,6

e 6,22 1H d 8,6

(s = singulet, d = doublet, m = multiplet)

Dans la suite de la synthèse, par commodité de lecture, on ne représentera qu’un seul énantiomère pour les composés (E, E’, F, etc...) qui sont en réalité tous obtenus sous forme racémique. On ajoute un équivalent de diisopropylamidure de lithium (LDA) à la cétone D en solution dans un mélange de tétrahydrofurane (THF) et d’hexaméthylphosphoramide (HMPT), puis un équivalent de 3-iodopropène à -78°C, suivi du réchauffement jusqu’à température ambiante. On obtient la cétone allylée E avec un rendement de 74 % ainsi que la cétone bis-allylée E’ avec un rendement de 11%.

Document 3 – Données sur les solvants HMPT et THF

Solvant Structure 𝑇𝑓𝑢𝑠 / °𝐶

sous 1 bar

𝑇𝑣𝑎𝑝/ °𝐶

sous 1 bar

Moment dipolaire 𝜇 / 𝐷 à 25°C

HMPT

7,20 235 5,54

THF

-108,4 66,0 1,75

T

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12- À quelle catégorie de solvants le THF et le HMPT appartiennent-ils ?

13- Au vu des conditions expérimentales requises, pourquoi n’est-il pas possible de faire la réaction D → E + E’ en utilisant le HMPT comme seul solvant ?

14- Le moment dipolaire du HMPT est particulièrement grand (𝜇 = 5,54 D). Proposer une explication.

15- Proposer un mécanisme réactionnel pour expliquer la formation des composés E et E’. On pourra utiliser une représentation plane telle que celle donnée ci-après pour D.

16- À l’aide des représentations de l’anion issu de D ci-après, proposer une explication au fait que E est le composé majoritaire

par rapport à son stéréoisomère F dont il est question par la suite.

Document 4 – Représentation spatiale de l’anion issu de D

Vue arrière en représentation type « modèle

moléculaire » Vue arrière en représentation type « sphères de Van der Waals »

Légende : sphères blanches = atomes d’hydrogène ; noires = atomes de carbone ; grises = atomes d’oxygène

Pour préparer la cétone allylée F, stéréoisomère de E, on forme l’énolate de lithium à partir de E, avec un équivalent de LDA, puis on le fait réagir avec du malonate de diéthyle CH2(COOEt)2 dans le THF entre -95 et -90°C. On obtient un mélange composé de 79% de F et 21% de E.

17- Cette réaction est-elle conduite dans des conditions de contrôle cinétique ou contrôle thermodynamique ? Justifier.

18- E est l’acide d’un couple acidobasique de 𝑝𝐾𝑎 = 20 et le malonate de diéthyle est l’acide d’un couple acidobasique de 𝑝𝐾𝑎 = 13. Comment peut-on expliquer une telle différence de 𝑝𝐾𝑎 ?

19- Comment expliquer que dans ces conditions F est le produit majoritaire ?

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La cétone F réagit avec du bromure de méthylmagnésium dans le THF à -78°C et on obtient comme produit majoritaire l’alcool G avec un rendement de 76 % à partir de E.

20- Donner la structure de l’alcool G .

Le composé G est dissous dans du toluène et mis au reflux pendant 1,5h avec une quantité catalytique d’acide paratoluènesulfonique ou APTS (0,3 éq.). Un réarrangement de type « pinacolique » de G donne H, un des intermédiaires clés pour cette synthèse, avec un rendement de 96%.

21- En vous aidant du document 2 suivant, proposer un mécanisme réactionnel pour le passage de G à H.

Document 5 – Réarrangement pinacolique

Mécanisme du réarrangement appelé « pinacolique » en milieu acide dans le cas du pinacol (ou 2,3-diméthyl-2,3-diol). A-H désigne ici un acide de Brønsted.

L’oléfine terminale de H est transformée en la cétone méthylée de I avec un rendement de 93 % par une oxydation catalytique de Wacker-Tsuji (traitement avec du chlorure de palladium (II) en quantité catalytique, du chlorure de cuivre (I) et du dioxygène dans le DMF aqueux). Cette étape n’est pas étudiée ici.

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I est ensuite traité par KOH (4 équivalents) dans le méthanol à température ambiante pendant 1h. Le composé J formé est mis ensuite à réagir dans le toluène à reflux avec de l’acide paratoluènesulfonique ou APTS (0,5 équivalent) dans un montage contenant l’appareil de Dean-Stark. On obtient la diénone tricyclique K avec un rendement de 68% à partir de I.

22- Proposer un mécanisme pour expliquer la transformation de I en J.

23- Donner la structure du composé K.

24- Proposer un mécanisme pour la transformation de J en K en précisant l’intérêt de l’utilisation d’un montage contenant un appareil de Dean-Stark.

Le composé K est ensuite transformé en L à l’aide d’une suite de réactions non étudiées ici. Le composé L est ensuite transformé en M.

La réduction de M par LiAlH4 dans le THF à -100°C donne deux alcools stéréoisomères N et N’ avec des rendements respectifs de 85% et 5% (la réaction donne d'autres produits que nous ne considérerons pas). Le composé N est ensuite transformé en O.

25- Donner la structure des composés N et N’. 26- En comparant les formules brutes de N et O, proposer un réactif pour réaliser la conversion de N en O.

Le composé O réagit ensuite avec du chlorure de mésyle (= chlorure de méthanesulfonyle) en présence de pyridine : un composé P de formule brute C16H28O3S est obtenu. L’ajout au composé P de thiocyanate d’ammonium donne un mélange composé de (±)-2-thiocyanatoneopupukeanane Q et de composé R en proportions 1 : 4 (rendement global de 75% à partir de O). En appliquant la même séquence réactionnelle au composé O’, stéréoisomère de O, on obtient le même mélange de produits que précédemment : 20% de Q et 80% de R.

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27- Donner la structure des composés P et P’. Quel est l’intérêt de cette étape ?

28- Proposer un mécanisme permettant d’expliquer la formation des composés Q.

Table de déplacements chimiques :

Type de protons δ (ppm) Type de protons δ (ppm)

Alkyle

R-CH3

R-CH2-R’

RR’R’’CH

~1 à 2 Halogéno-

alcane

I-CHn

Br-CHn

Cl-CHn

~3 à 4

Alcènes

C=C-CHn

(allylique) ~1.5 à 2

C=O

-C(O)-CHn

~2 à 2.5

C=C-Hn ~ 5 à 7 -C(O)H

(aldéhyde) ~ 9.5 à 10

Aromatique

Ph-CHn

(benzylique) ~ 2 à 2.5 C(O)OH

(acide

carboxylique)

~10 à 13 Ph-H

(aromatique) ~ 7

Alcool et

éther

RO-CHn et

HO-CHn ~ 3 à 4

Amine RR’N-CHn ~3 à 4

HO 0.5 à 10 R-NHn 1 à 5

2 - Diagnostic Oxydo-réduction

Cette partie vise à évaluer votre acquisition des notions et savoir-faire du programme de PCSI : annexe à rendre avec votre copie.

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3 – Action du cyanure d’hydrogène sur les cétones

L’addition d’acide cyanhydrique HCN sur un composé carbonylé R-CO-R’ conduit à un -hydroxynitrile, encore appelé cyanhydrine. Ce problème illustre comment l’étude des paramètres cinétiques de la réaction permet de choisir un mécanisme réactionnel parmi plusieurs a priori possibles. I.C.1) Bilan réactionnel Écrire l’équation-bilan de l’addition d’acide cyanhydrique sur l’éthanal et nommer le produit formé. I.C.2) Étude qualitative du mécanisme La formation des cyanhydrines a constitué un précurseur de la chimie mécanistique. En 1903, la réaction est déjà connue mais le chimiste Arthur Lapworth se propose d’en étudier le mécanisme. Pour se faire, il va réaliser une étude cinétique avec les moyens dont il dispose : sa montre et ses yeux. Il suit l’avancement de la réaction grâce à la couleur jaune intense qui disparaît. En effet, la camphorquinone, qui est la cétone utilisée par Lapworth comme réactif, est jaune intense (la couleur persiste même à faible concentration). La cyanhydrine obtenue étant incolore, il suffit à Lapworth de noter le temps nécessaire à la décoloration. Il obtient les résultats suivants :

ce temps est de 8 à 10 heures dans le cas de la seule mise en présence des deux réactifs (HCN et la cétone) ; s’il ajoute de l’acide chlorhydrique, il n’observe pas de décoloration, même après 14 jours ; s’il ajoute une goutte de potasse (K+, OH-) à 15%, la décoloration se produit au bout de 15 s seulement ; s’il ajoute de l’ammoniaque (NH3 dans l’eau), la décoloration prend quelques minutes ; de même, s’il ajoute du cyanure de potassium (K+, CN-), la réaction est accélérée.

À partir de ces résultats, Lapworth considère qu’a priori trois mécanismes sont envisageables (on notera RR’CO la cétone de départ et C la cyanhydrine formée à partir de cette cétone) : Mécanisme A : Protonation de la cétone, puis addition nucléophile des ions cyanure sur la cétone protonée

Mécanisme B : Addition nucléophile des ions cyanure sur la cétone, puis protonation du produit formé

Mécanisme C : Acte élémentaire bimoléculaire

a) Déterminer, en fonction des constantes de vitesse, des constantes d’équilibre et des différentes concentrations (en cétone

RR’CO, en ion H+, en HCN et CN-), l’expression de la vitesse de la réaction de formation de la cyanhydrine pour chacun des trois mécanismes.

b) Montrer que l’analyse qualitative des résultats obtenus par Lapworth permet d’éliminer l’un des trois mécanismes.

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I.C.3) Étude quantitative de la cinétique réactionnelle On étudie la cinétique de formation de la cyanhydrine synthétisée par addition de l’acide cyanhydrique sur l’éthanal à T = 298 K, dans un milieu tamponné à pH = 4,2 pour une concentration initiale en HCN notée C0 et une concentration initiale en éthanal notée C’0. Les résultats obtenus sont consignés dans le tableau suivant (t1/2 représente le temps de demi-réaction) :

a) Déterminer, dans ces conditions expérimentales choisies, l’ordre global de la réaction et l’ordre partiel par rapport à chaque

réactif (RR’CO et HCN). Déterminer la valeur de la constante de vitesse apparente (notée kapp). On notera la vitesse de la

réaction sous la forme : v = kapp[HCN][RR’CO]β. b) Au pH de l’expérience, quelle est la forme prédominante de l’acide cyanhydrique (pKA = 9,2) ? Pour chacun des trois

mécanismes envisagés par Lapworth, modifier éventuellement l’expression de chaque vitesse pour rendre compte de ce constat. On utilisera notamment la constante d’acidité KA du couple HCN/CN-. Les résultats expérimentaux concernant les ordres partiels sont-ils en accord avec les schémas mécanistiques retenus ? Donner l’expression de kapp dans chaque cas.

c) Pour valider la nature du mécanisme de formation de la cyanhydrine, on détermine la constante de vitesse apparente kapp à différentes valeurs de pH. Les résultats sont consignés dans le tableau suivant :

Montrer qu’une simple analyse de ces valeurs permet d’éliminer deux des mécanismes proposés, puis montrer par le tracé d’une droite adaptée que la dépendance de kapp avec le pH de la solution est validée pour le mécanisme restant.

d) Réécrire le mécanisme retenu en le complétant par les mouvements électroniques adéquats.

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ANNEXE (à rendre avec la copie)

NOM

Comment fabriquer une pile ?

Représenter la pile de schéma conventionnel suivant. Les compartiments contiennent chacun 200 mL de solution.

Ag(s) | (Ag+,NO3- à 0,10 mol.L-1) || (K+,NO3

-) || (Ag+,NO3- à 0,010 mol.L-1) | Ag(s)

Expliquer ci-dessous comment déterminer le sens de déplacement des porteurs de charge. Puis, l’indiquer sur le schéma.

Ecrire les équations des échanges d’électrons se déroulant à la surface de chacune des électrodes.

Electrode de gauche :

Electrode de droite :

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Définir les termes d’anode et la cathode. Identifier ces électrodes dans le cas de la pile étudiée.

Anode :

Cathode :

Droite =

Gauche =

En supposant la transformation totale, quelle quantité d’électricité (en coulomb) cette pile peut-elle au maximum débiter (on supposera les métaux en excès). On donne la valeur de la constante de Faraday : F = 96,5.103 C.mol-1.

Calculer, à 25 °C, la constante d’équilibre associée à l’équation de réaction : Ag(s) + Fe3+(aq) = Fe2+(aq) + Ag+(aq) Données : E°(Fe3+(aq)/Fe2+(aq)) = 0,77 V et E°(Ag+(aq)/Ag(s)) = 0,80 V.

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Attribuer un des domaines du diagramme potentiel-pH aux espèces suivantes : Ni (s), Ni2+, NiO2(s), Ni(OH)2(s). Justifier.

La convention de frontière utilisée pour ce tracé est la suivante : « au niveau d’une frontière, la concentration totale en formes dissoutes du nickel est C = 1,0.10-3 mol.L-1. Que vaut le potentiel standard du couple Ni2+(aq)/Ni(s) ?

Calculer la valeur théorique de la pente de la frontière séparant les domaines de stabilité de NiO2(s) et Ni(OH)2(s). Ces deux espèces forment-elles un couple d’oxydo-réduction ?

Sachant que la frontière verticale est pH = 7,5, déterminer la valeur du produit de solubilité de Ni(OH)2(s) (rappel pKe = 14)

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Connaissant les équations des droites associées aux couples de l’eau (pour une pression partielle en gaz égale à 1,0 bar), identifier les formes de l’iode stables en solution aqueuse :

Couple O2(g)/H2O(ℓ) : E = 1,23 – 0,06 pH

Couple H2O(ℓ)/H2(g) : E = 0,00 – 0,06 pH

On dispose d’une solution aqueuse de diiode. Que se passe-t-il si lui additionne de la soude dans le but d’augmenter son pH jusqu’à 10. Nommer le phénomène et écrire l’équation de réaction modélisant la transformation qui se produit.

On dispose d’une solution aqueuse d’iodure de potassium incolore. Laissée quelques heures à l’air libre, elle se colore légèrement en brun. Ecrire l’équation de réaction modélisant la transformation qui se produit.