Orbitales moléculaires

Niveaux d'énergie, formalisme simplifié s, p
Les considérations de symétrie précédentes sont très importantes pour l'application de la théorie des orbitales moléculaires. Une simplification importante intervient pour les molécules qui comme l'éthène sont planes. La réflexion par rapport au plan de la molécule (xOy) permet de séparer les orbitales moléculaires en deux groupes :

• celles qui sont inchangées dans la réflexion par rapport au plan de la molécule, qui sont appelées orbitales s ;
• celles qui changent de signe dans la réflexion par rapport à ce plan, qui sont appelées orbitales p.

Méthode de Hückel
L'étude de la molécule d'éthène a été faite dans le chapitre consacré à la méthode de Hückel simple (HMO) et en utilisant la méthode de Hückel étendue (EHMO)

Le tableau suivant regroupe les valeurs numériques des énergies et des coefficients des orbitales atomiques dans les orbitales moléculaires (HMO) :

Orbitales frontières (HMO)
La plus haute orbitale moléculaire occupée et la plus basse orbitale vacante sont appelées orbitales frontières. La connaissance des énergies et des propriétés de symétrie de ces orbitales moléculaires est particulièrement intéressante pour étudier la réactivité de la molécule dans le cas où la réaction est sous contrôle orbitalaire. Les électrons p sont les plus mobiles et les plus facilement polarisables lors de l'interaction de la molécule avec un réactif extérieur.

Plusieurs applications sont étudiées dans le chapitre relatif aux orbitales frontières.

Spectroscopie

Spectroscopie infrarouge
La vibration de valence de la double liaison absorbe vers 1650 cm^-1. Les fréquences d'absorption des vibrations de déformation des liaisons C-H sont également précieuses pour identifier les structures. Quelques absorptions caractéristiques sont données ci-dessous.

Exemple 1 : spectre infrarouge du cyclohexène

Exemple 2 : spectre infrarouge du 1, 1-dichloroéthène

Spectroscopie de RMN

• Les quatre protons de l'éthène donnent un pic unique pour un déplacement chimique : d = 5,6 ppm. D'une façon générale, les atomes d'hydrogène liés à la double liaison appelés hydrogènes vinyliques, ont des déplacements chimiques assez élevés. Cette propriété est liée à la circulation des électrons p dans le champ magnétique extérieur qui induit un champ opposé au champ appliqué dans la région où se trouvent ces protons.

  

• La spectroscopie de RMN permet de distinguer facilement les diastéréo-isomères possédant des atomes d'hydrogène vicinaux grâce à la valeur plus élevée de la constante de couplage ³J pour l'isomère E par rapport à l'isomère Z. Les grandeurs numériques suivantes n'ont qu'une valeur indicative.

  composé
  constante de couplage	2J = 1	3J = 10	3J = 16

  Les deux exemples suivants concernent les spectres RMN du (Z)-1-chloro-2-cyano-éthène et du (E)-1-chloro-2-cyano-éthène. La valeur plus élevée de la constante de couplage dans le second cas permet d'attribuer sans ambiguité la bonne structure à chaque composé.

  

  

  Dans le spectre précédent, on notera que les doublets ne sont pas symétriques (effet de toit). Cela vient du fait que le couplage entre les protons est un couplage fort.

  Un autre exemple est celui de la molécule d'acide (E) cinnamique.

• Les spectres des alcènes monosubstitués sont complexes lorsque le déplacement chimique des protons et la constante de couplage sont du même ordre de grandeur.

  Composé	JAB	JAC	JBC
  J (Hz)	10	15	2

  

  Les signaux des protons A, B et C ont l'allure suivante.

  

  Fréquemment, l'analyse au premier ordre n'est possible qu'avec des spectromètres fonctionnant à haute fréquence (600 MHz).

Hydrogénation

Conditions expérimentales
La réaction entre le dihydrogène H₂ et un composé éthylénique est une réaction d'addition. Elle est interdite pour des raisons de symétrie orbitalaire et n'est réalisable à une vitesse raisonnable qu'avec l'aide d'un catalyseur hétérogène ou un catalyseur homogène permettant de lever cette interdiction. D'un point de vue thermodynamique, la réaction est fortement exothermique. Elle est donc favorisée par une température pas trop élevée. Concrètement, elle est quasi-totale dans les conditions normales de température et de pression. Le rendement est de l'ordre de 90 %.
Puisqu'un catalyseur accélère aussi bien la réaction directe que la réaction inverse, la déshydrogénation d'un hydrocarbure saturé est également envisageable mais elle constitue surtout une méthode industrielle en raison de son manque de sélectivité.

Comparaison de la stabilité des alcènes
La réaction d'hydrogénation peut être mise à profit pour évaluer la différence de stabilité entre alcènes stéréoisomères. Raisonnons sur les diastéréoisomères Z et E du but-2-ène.

Cette différence de stabilité peut s'interpréter par des contraintes stériques entre les groupes méthyle qui sont plus importantes dans l'isomère Z que dans l'isomère E.

Stéréochimie
L'addition de H₂ sur le 3, 4-diméthylhex-3-ène de configuration Z fournit de façon quasi-exclusive le (3R, 4S)-3, 4-diméthylhexane achiral.
Le (3R, 4R)-3, 4-diméthylhexane et son énantiomère le (3S, 4S)-3, 4-diméthylhexane, tous trois diastéréo-isomères du précédent ne sont pas obtenus. La réaction est donc diastéréosélective. Les atomes d'hydrogène se sont fixés du même côté de la double liaison. La stéréochimie de l'addition est syn.

Dans des conditions comparables, l'addition de H₂ sur le 3, 4-diméthylhex-3-ène de configuration E, fournit de façon quasi-exclusive le mélange racémique des énantiomères (3R, 4R) et (3S, 4S) du 3, 4-diméthylhexane. Elle est aussi, stéréosélective et la géométrie de l'addition est également syn.

Deux substrats stéréoisomères fournissent dans les mêmes conditions des produits diastéréoisomères. La réaction d'hydrogénation est donc diastéréospécifique. La stéréochimie de l'addition est syn.

Dans l'exemple ci-dessous, impliquant un composé bicyclique ponté, l'hydrogène se fixe préférentiellement sur la face exo la moins encombrée.

Catalyseurs utilisés en catalyse héterogène
L'hydrogénation catalytique utilisant un métal de transition a été découverte par le chimiste français P. Sabatier (prix Nobel 1912 conjointement avec G. Grignard) [39]. Sabatier utilisait du nickel préparé par réduction de NiO par le dihydrogène.

• le platine ou le palladium déposés sur du carbone ;
• le nickel de Raney est une autre variété de nickel activé (voir plus bas);
• le catalyseur d'Adams est du dioxyde de platine PtO₂, réduit en Pt colloïdal par le dihydrogène in situ. Voici un exemple d'application intervenant dans la synthèse de R von Schleyer de l'adamentane.

  

Mécanisme et cinétique
Le caractère syn de l'addition peut être interprété grâce au modèle suivant dans lequel les réactifs adsorbés à la surface du catalyseur sont dans une disposition géométrique favorable pour la réaction d'addition.

Le mécanisme précédent explique l'influence sur la vitesse de réaction du nombre et de la position des substituants autour de la double liaison. La vitesse diminue quand le degré de substitution croit car les électrons de la double liaison sont moins accessibles.

Un autre exemple est celui d'une étape d'hydrogénation sélective dans l'hémisynthèse de la progestérone selon un procédé due à R. Marker.

Catalyse homogène
L'hydrogénation peut aussi être réalisée en milieu homogène en utilisant un catalyseur soluble comme le catalyseur de Wilkinson. La réaction d'addition est stéréospécifique, de stéréospécificité syn.

Hydrogénation énantiosélective
L'hydrogénation d'un composé éthylénique comportant des atomes de carbone prochiraux peut être effectuée de façon énantiosélective en présence de catalyseurs chiraux solubles. De tels catalyseurs sont capables de distinguer les faces énantiotopiques d'une double liaison. Le premier exemple de réaction de ce type est dû au chimiste américain W. S. Knowles en 1968. Il concerne l'hydrogénation d'un dérivé substitué du styrène.

• le catalyseur utilisé dans la synthèse de la L-DOPA décrite ci-dessous, est un complexe du rhodium dérivé du catalyseur de Wilkinson, possédant une diphosphine chirale comme ligand ;
• des complexes du ruthénium sont également utilisés. Le complexe [Ru(R-BINAP)(tBuCOO)₂] introduit par le chimiste japonais R. Noyori, un des grands spécialistes mondiaux de la synthèse énantiosélective, comporte un ligand binaphtyle chiral. Ce ligand peut exister sous deux formes énantiomères atropisomères. Un exemple d'hydrogénation énantiosélective d'un alcool allylique, le (E)-3, 7-diméthyl-2, 6-octadièn-1-ol ou géraniol, est donné à la référence [23].

Application : synthèse de la L-DOPA
La L-DOPA ou acide acide (2S)-2-amino-3-(3,4- dihydroxyphényl)-propanoïque (pouvoir rotatoire spécifique : [a]_D = - 11,5 °.g^-1.cm³.dm^-1), est le précurseur d'un neuromédiateur, la dopamine, dont la déficience dans l'organisme est à l'origine de la maladie de Parkinson [76]. C'est l'un des seuls médicaments dont on dispose actuellement pour lutter contre cette maladie. Sa synthèse a été réalisée par W. S. Knowles en 1975 (prix Nobel de chimie 2001 avec K. B. Sharpless et R. Noyori ; [20]). Le procédé mis au point par Knowles pour Monsanto a permis une préparation à l'échelle industrielle à partir de la vanilline. Ce procédé n'est plus utilisé de nos jours.

Résultats expérimentaux
L'une des premières synthèses industrielles du dichloroéthane, qui est un intermédiaire dans la synthèse du chlorure de vinyle, consistait en une réaction d'addition entre l'éthène et le dichlore.

On lui préfère actuellement le procédé d'oxychloration dans lequel l'élément chlore est apporté par le mélange O₂ / HCl.

Les composés éthyléniques additionnent facilement Cl₂ et Br₂ pour conduire à des dérivés dihalogénés vicinaux. F₂ très oxydant détruit la molécule. Avec I₂ peu réactif, la réaction conduit à un équilibre défavorable au produit. La réaction s'effectue par union directe dans les conditions normales de température et de pression. Les solvants utilisés sont CH₂Cl₂, CHCl₃, CCl₄, AcOH.

Test analytique des doubles liaisons éthyléniques
La réaction de bromation peut être utilisée comme test des doubles liaisons éthyléniques. Sur la photographie (I) l'erlenmeyer contient une solution de dibrome Br₂ dans CCl₄ (on observe les vapeurs de Br₂ qui s'échappent de la solution). L'ajout de quelques gouttes d'hex-1-ène provoque une décoloration rapide de la solution (photos II et III).

Cette méthode peut être utilisée pour tester la présence de doubles liaisons dans les corps gras.
Le tribromure de pyridinium présente une alternative intéressante à l'utilisation du dibrome en raison de sa simplicité d'emploi.

Stéréochimie
L'addition de Br₂ sur le (E)-but-2-ène fournit quasi exclusivement le (2R, 3S)-dibromo-2,3-butane. Ce composé est achiral car la molécule possède un plan de symétrie. Il s'agit d'un composé méso. Puisqu'on obtient un seul stéréoisomère parmi plusieurs pouvant se former a priori, la réaction de bromation est diastéréosélective.

En utilisant les mêmes conditions expérimentales, la réaction effectuée sur le (Z)-but-2-ène, fournit exclusivement le mélange des énantiomères de configurations absolues (2R, 3R) et (2S, 3S) (couple like).

Deux substrats diastéréo-isomères fournissent des produits diastéréo-isomères. La réaction de bromation est par conséquent diastéréospécifique de stéréochimie anti.

Mécanisme
Il s'agit d'un mécanisme par stades :

• L'étape cinétiquement déterminante implique l'attaque de la molécule de dibrome polarisable par les électrons p de la double liaison éthylénique. Elle conduit à la formation d'un ion bromonium ponté (dans l'exemple choisi, cet ion est achiral ; il s'agit d'un composé méso.)

  

• L'ouverture de l'ion bromonium par l'ion bromure nucléophile se produit dans une étape ultérieure. Elle ne peut avoir lieu pour des raisons stériques que du côté opposé au pont. Les réactions sur les atomes de carbone 1 et 2 sont équiprobables. On obtient le mélange mélange racémique des dibromures énantiomères I et II.

  

  

Ions halonium
Les ions bromonium sont des intermédiaires très réactifs qui ne sont généralement mis en évidence que par des méthodes spectrales. Certains ont pu être isolés comme celui de l'exemple ci-dessous.

Le substrat de départ de cette réaction peut être obtenu par couplage de Mc Murry entre deux molécules d'adamantanone.

• Dans l'exemple suivant, la bromation du (Z)-1-phénylpropène, fournit majoritairement, mais non exclusivement, le mélange racémique des énantiomères du couple like.

  

  On envisage la formation d'ions bromonium intermédiaires.

  

  La baisse de stéréosélectivité s'explique par l'intervention d'un carbocation benzylique stabilisé par résonance. L'ion bromure peut alors réagir au dessus ou au dessus du cation localement plan.

  

  

• Dans le cas de la chloration, la formation de l'ion ponté est défavorisée par rapport à celle du carbocation. On attribue cette différence à la taille plus petite de l'atome de chlore comparée à celle de l'atome de brome. La formation du pont est beaucoup plus difficile.

• La formation d'ions iodonium est possible mais la réaction d'iodation des liaisons éthyléniques et thermodynamiquement défavorisée.

Iodoéthérification
On obtient un éther. La source d'iode cationique est le N-iodosuccinimide (NIS) (l'azote est plus électronégatif que l'iode).

La réaction permet la préparation de furannes substitués.

La réaction suivante est une étape de la synthèse de l'histrionicotoxine une substance extraite de la peau de grenouilles venimeuses.

Iodolactonisation
Dans l'iodolactonisation, un acide carboxylique g-insaturé est cyclisé en lactone substituée.

Le mécanisme fait, comme précédemment, intervenir un ion iodonium.

Ce dernier est ensuite rapidement ouvert dans une réaction intramoléculaire où l'oxygène joue le rôle de nucléophile.

La réaction peut être rendue diastéréosélective [37]

• l'addition du dibrome conduit au dérivé dibromé ;

  

• l'oxydation de la fonction alcool secondaire conduit à la formation d'une fonction cétone ;

  

• la double liaison éthylénique est régénérée grâce à une réaction d'élimination, entre le composé précédent et le zinc.

  

En présence d'un acide comme l'acide oxalique, la cétone obtenue est isomérisée en cétone conjuguée plus stable. Cette suite de réaction a souvent été utilisée dans la chimie des stéroïdes. On la retrouve dans l'hémisynthèse de la progestérone selon le procédé de R. Marker.

Avec un alcène, l'addition est stéréospécifique de stéréochimie anti. Pour un composé éthylénique dans lequel des groupes stabilisent les cations ouverts, comme le phénylpropène, ou le 1,2-diphényléthène, la stéréosélectivité est meilleure qu'avec le dibrome. Dans l'exemple suivant, en partant d'un substrat de stéréochimie E, on obtient le composé méso.

A la température ordinaire le tribromure de pyridinium se présente sous la forme de cristaux de couleur orange fondant à 132-137 °C. L'ensemble de la préparation doit être conduite sous une hotte bien ventilée. Dans un erlenmeyer plongé dans un bain de glace, on mélange en agitant, 15 mL de pyridine avec 30 mL d'une solution aqueuse de HBr à 48 %. On ajoute alors 25 g de dibrome par petites portions. Le produit cristallise. Le composé brut peut être recristallisé dans l'acide acétique (référence : [3]). Attention : ce composé est toxique et provoque des brûlures sur la peau.

Addition des hydracides

Résultats expérimentaux
La réaction entre HBr dissous dans l'acide éthanoïque et le méthylpropène à 20 °C donne essentiellement du 2-bromo-2-méthypropane (1) et seulement des traces de 1-bromo-2-méthylpropane (2).

Mécanisme
Il s'agit d'un mécanisme par stades.

• Une petite quantité d'hydracide est dissociée dans le solvant :

  

• La réaction électrophile de la double liaison sur le proton conduit à la formation d'un carbocation. C'est l'étape cinétiquement déterminante de la réaction.

  

• La réaction entre le carbocation et l'ion bromure nucléophile s'effectue dans une seconde étape. Elle peut avoir lieu indifféremment sur l'une ou l'autre face de l'atome de carbone trigonal. La réaction n'est donc pas stéréosélective.

  

Remarque : une addition anti de HBr est parfois observée. Elle s'interprète par la formation d'un complexe entre le composé éthylénique et l'hydracide.

Puisque le mécanisme fait intervenir un carbocation, on peut observer des réactions de transposition de type Wagner-Meerwein. C'est le cas, par exemple, dans la réaction suivante de préparation de l'acétate d'isobornyle à partir du camphène qui constitue une étape de la synthèse industrielle du camphre.

Hydratation

Résultats expérimentaux
L'addition d'eau sur un composé éthylénique s'appelle hydratation. Elle conduit à la formation d'un alcool. Avec les alcènes substitués qui forment facilement des carbocations, il suffit d'utiliser un acide dilué. L'ion H⁺ est alors un catalyseur de la réaction :

Avec les alcènes moins substitués, donc moins réactifs, la formation du carbocation est plus difficile. On utilise de l'acide sulfurique concentré. La réaction est différente car il se forme un sulfate d'alkyle intermédiaire.

Mécanisme
Il ressemble beaucoup à celui décrit pour l'addition de HBr. Il s'agit d'un mécanisme par stades. On peut regarder cette réaction comme la réaction inverse de la déshydratation des alcools.

• Raisonnons dans le cas du méthylpropène. La première étape est l'attaque électrophile de la double liaison sur un proton servant de catalyseur. Elle conduit à la formation d'un carbocation. C'est l'étape cinétiquement déterminante.

  

• La réaction entre le carbocation et l'eau a lieu dans une deuxième étape rapide.

  

  

Hydratation énantiosélective de l'acide fumarique
L'hydratation de l'acide (E)-butanedioïque ou acide fumarique constitue l'une des étapes du cycle de Krebs. La réaction est énantiosélective. Le produit de cette réaction est l'acide (2S)-2-hydroxybutanedioïque ou (L-malique). Afin de préciser le mécanisme de la réaction, l'hydratation a été effectuée en utilisant de l'eau lourde.

Règle de Markovnikov

Enoncé historique
Cette règle énoncée par le chimiste russe V. V. Markovnikov en 1868 constitue l'une des premières et des plus célèbres tentatives de rationalisation de résultats expérimentaux en chimie organique. Il s'agissait à l'origine d'une règle empirique qui concernait l'addition des hydracides halogénés sur les alcènes dissymétriques. Markovnikov avait reconnu le caractère très régiosélectif de cette addition. La règle permet de prévoir l'atome de carbone sur lequel se fixe l'hydrogène de l'hydracide :

Lors de l'addition d'un hydracide sur un alcène dissymétrique l'atome d'hydrogène se fixe sur l'atome de carbone le moins substitué.

Examinons l'exemple de l'addition de HBr sur le méthylpropène. On obtient effectivement de façon quasi exclusive le 2-méthyl-2-bromopropane.

Nature du contrôle
Le problème se pose de savoir si la régiosélectivité observée est le fruit d'un contrôle cinétique ou d'un contrôle thermodynamique de la réaction. Il est possible d'étudier l'équilibre entre les dérivés halogénés P₁ et P₂ et la constante de cet équilibre a été déterminée expérimentalement. On trouve : K = 4,5. Si la réaction était sous contrôle thermodynamique on obtiendrait une quantité non négligeable du produit P₂ compte-tenu de cette valeur de K. Plus précisément, on aurait les pourcentages suivants :

Généralisation de la règle de Markovnikov
L'expérience montre que de nombreuses additions de réactifs dissymétriques s'effectuent sous contrôle cinétique par un mécanisme ionique impliquant un carbocation ou un ion positif ponté. En plus de l'addition des hydracides et de l'hydratation déjà cités citons l'addition de dérivés interhalogénés comme ICl ou des acides hypohalogéneux (ClOH, BrOH). Schématisons par A^{d -}- H^d+ le réactif dissymétrique. La règle de Markovnikov peut être généralisée :

Lors de l'addition d'un réactif A^{d -}- H^d+ sur un composé éthylénique dissymétrique, A^{d -} se fixe préférentiellement sur l'atome de carbone qui stabilise le mieux une charge positive.

Lorsque le composé éthylénique est un alcène, l'atome de carbone qui stabilise le mieux une charge positive est celui qui est substitué par le plus grand nombre de groupes alkyles. Dans le cas des alcène substitués, la méthode des perturbations fournit un cadre théorique commode pour rationaliser ce résultat. Pour les alcènes fonctionnalisés, la situation est plus délicate et il faut examiner chaque cas.

Interprétation électronique de la règle de Markovnikov
Nous allons raisonner dans le cas du propène en appliquant les résultats de la méthode des perturbations. Le propène peut être considéré comme résultant de l'interaction entre une molécule d'éthène et un fragment méthyle. Ce dernier sera considéré dans le modèle à deux électrons et décrit par une orbitale d'énergie a + 2 b. Pour l'éthène, nous prendrons les orbitales moléculaires obtenues à partir de la méthode de Hückel simple.

Le calcul complet par la méthode des perturbations est effectué aux références [72] et [74]. Le diagramme d'énergie est le suivant.

Les orbitales moléculaires du propène peuvent s'exprimer en fonction de celles de l'éthylène F₁ et F₂ ainsi que du fragment méthyle F₃.

Les valeurs des coefficients des orbitales moléculaires normalisées sont résumés dans le tableau suivant :

De l'étude précédente ressort deux conséquences :

• le niveau énergétique de la HO du propène est supérieur à celui de l'éthène. Le propène va être plus réactif vis à vis d'un électrophile que l'éthène ;
• en ce qui concerne la régiosélectivité un électrophile réagit de façon préférentielle sur l'atome de carbone dont le coefficient est le plus élevé dans la HO. Comme le montre le tableau précédent, il s'agit de l'atome de carbone C₁ (coefficient : 0,707). C'est bien le résultat obtenu par la règle de Markovnikov.

Une autre façon d'aborder le problème de la régiosélectivité est d'examiner la dureté des carbocations intermédiaires. Conformément au principe de dureté maximum (MHP), le carbocation le plus dur est formé majoritairement.

Hydroxyhalogénation

Résultats expérimentaux
La réaction entre l'acide hypobromeux et le 2-méthylbut-2-ène fournit un mélange mélange racémique de (3S)-3-bromo-2-méthylbutan-2-ol et (3R)-3-bromo-2-méthylbutan-2-ol énantiomères.

Mécanisme

L'attaque du nucléophile s'effectue du côté opposé au pont sur l'atome de carbone qui stabilise le mieux une charge positive ; c'est à dire, ici le plus substitué, conformément à la règle de Markovnikov.

Les composés I et II sont énantiomères.

L'addition de BrOH sur le stéroïde ci-dessous est telle que le pont bromonium se forme du côté opposé au groupe méthyle. On obtient ainsi la molécule représentée et son énantiomère.

Notons que les halohydrines sont des précurseurs d'époxydes en milieu basique par synthèse de Williamson intramoléculaire.

Utilisation du N-bromosuccinimide (NBS)
Le N-bromosuccinimide (NBS) réagit avec les composés éthyléniques en solvant aqueux pour donner des halohydrines.

La régiosélectivité suit la règle de Markovnikov. La réaction est stéréospécifique de stéréochimie anti [27].

Oxymercuration-démercuration

Résultats expérimentaux
Lorsqu'on fait réagir un composé éthylénique avec l'acétate de mercure (II) dans un mélange d'eau et de THF et qu'on procède ensuite à la réduction du composé obtenu par le tétrahydroborate de sodium (borohydrure de sodium), on isole finalement un alcool [24], [30].

Mécanisme
L'oxymercuration du cyclohexène fournit un mélange racémique de produits de stéréochimie trans. On interprète ce résultat par le mécanisme suivant :

• formation d'un ion mercurinium intermédiaire ;

  

• ouverture de l'ion mercurinium par l'eau. Ce nucléophile réagit du côté opposé au pont.

  

  

Applications

Hydroboration

Résultats expérimentaux, préparation des organoboranes
L'hydratation acido-catalysée des composés éthyléniques fournit systématiquement l'alcool dont la classe est la plus élevée sur les deux possibles a priori car cette addition passe par l'intermédiaire du carbocation le plus stable. Pour obtenir l'alcool de la classe la moins élevée à partir d'un composé éthylénique, on peut opérer de façon indirecte en mettant à profit les propriétés remarquables des organoboranes. L'hydroboration des composés éthyléniques a été découverte en 1962 par le chimiste d'origine britannique H. C. Brown et son groupe lors de leurs recherches sur les propriétés réductrices des boranes. H. C. Brown (Université Purdue, Indiana) a obtenu le prix Nobel de chimie en 1979. Voir [21]
Le monoborane BH₃ est un composé déficient en électrons par rapport à l'octet. A la température ordinaire, il se dimérise pour conduire au diborane B₂H₆. Mais en présence de THF meilleure base de Lewis que H, il y a formation d'un complexe entre le monoborane et l'éther.

La réaction entre un composé éthylénique et BH₃ est régiosélective. Le bore se fixe sur l'atome de carbone le moins substitué de la double liaison. On dit qu'il s'agit d'une addition antimarkovnikov car la régiosélectivité est l'inverse de celle qui est décrite par la règle de Markovnikov.
Il est amusant de constater que la suite H-C-B correspond aux initiales de H. C. Brown. La réaction conduit au remplacement des trois atomes d'hydrogène et l'on obtient finalement un trialkylborane.

Les composés éthyléniques plus substitués fournissent des dialkylboranes. Le Bis(1,2-diméthylpropyl)borane (appelé "disiamylborane", contraction de : di-secondary-isoamylborane) est un réactif très utile préparé généralement au moment de l'emploi par réaction entre le 2-méthylbut-2-ène et le complexe BH₃-THF.

Les alkylboranes sont des intermédiaires de synthèse dans la réaction de couplage de Suzuki.

Mécanisme de l'hydroboration
Il s'agit d'une cycloaddition [2 + 2] entre une liaison bore-hydrogène et une liaison carbone-carbone. Le bore se fixe de façon régiosélective sur l'atome de carbone le moins substitué.
La régiosélectivité s'explique :

• par un facteur électronique car le bore est moins électronégatif que l'hydrogène ;
• par des facteurs stériques.

Oxydation des trialkylboranes
L'une des réactions les plus importantes des trialkylboranes est leur coupure oxydante par une solution de peroxyde d'hydrogène H₂O₂ en présence d'ions OH^-.
L'oxydation d'un borane par une solution basique de peroxyde d'hydrogène fournit un alcool. Son importance provient du fait que le groupe OH se retrouve fixé sur l'atome de carbone le moins substitué du substrat. La régiosélectvité observée est donc l'inverse de celle obtenue dans une réaction d'hydratation en milieu acide qui suit la règle de Markovnikov.

• formation de l'anion hydroperoxyde et réaction avec le trialkylborane ;

  

  

• transposition de l'intermédiaire organoborique. Sur le plan stéréochimique, le remplacement de la liaison C-B par une liaison C-O s'effectue avec rétention de la configuration ;

  

• la réaction conduit au remplacement des trois liaisons C-B par trois liaisons C-O successivement ;

  

• le composé est finalement hydrolysé en alcool ;

  

Aspect stéréochimique
L'addition du diborane suivie de l'oxydation par H₂O₂ en milieu basique sur le méthylcyclohexène, fournit le mélange racémique des 2-méthylcyclohexanol de stéréochimie trans.

Ce résultat s'explique par une addition stéréospécifique syn de la liaison bore-hydrogène sur le composé éthylénique et une rétention de la configuration pour le remplacement de la liaison C-B à la liaison C-O lors de l'oxydation du borane.

Utilisation du 9-BBN
Le 9-borabicyclo-[3, 3, 1]-nonane (9-BBN) est un agent d'hydroboration très utilisé en synthèse organique. On l'obtient en faisant réagir B₂H₆ avec le cycloocta-1, 5-diène [36].

• contrairement à B₂H₆, il est stable à l'air ;
• alors que B₂H₆ réagit sans discernement avec la plupart des doubles liaisons éthyléniques, (9-BBN) est beaucoup plus chimiosélectif. Il réagit de façon préférentielle avec les doubles liaisons les moins encombrées et avec les composés cis de préférence aux trans.

Application : préparation de l'alpine borane

L'hydroboration de l'a-pinène par le 9-BBN, conduit à un borane chiral appelé alpine borane. Ce réactif, introduit par M. M. Midland en 1984, peut être obtenu énantiopur. La réaction ci-dessous est effectuée entre le (+)-a-pinène et le 9 BBN. La réaction est régiosélective, le bore se fixant sur l'atome de carbone le moins substitué. Elle est aussi stéréosélective, le 9 BBN réagit sur la face la moins encombrée de l'a-pinène c'est à dire du côté opposé au pont portant les deux méthyles. Il s'agit d'un exemple de stéréosélectivité induite par le substrat.

L'alpine borane est utilisé comme réducteur dans la réduction

Hydroboration énantiosélective
L'hydroboration du méthylcyclohexène par B₂H₆ suivie d'hydrolyse, fournit un mélange mélange racémique des 2-méthylcyclohexanols car le réactif achiral ne distingue pas les deux faces énantiotopiques du substrat.

Le premier réactif d'hydroboration énantiosélective a été préparé par H. C. Brown. Il s'agit du diisopinocamphéylborane Ipc₂BH. On le prépare en faisant réagir B₂H₆ avec l' a-pinène. Selon l'énantiomère de l' a-pinène de départ, on obtient l'un ou l'autre des deux énantiomères du produit. L' excès énantiomérique est voisin de 100 %.

Les composés T et T^' sont des diastéréo-isomères. Ils se forment en proportions inégales et sont obtenus avec une diastéréosélectivité élevée : dr = 97,8 : 2,2. La coupure oxydante de ces boranes fournit les énantiomères 2 et 2^' dans les mêmes proportions. L'excès énantiomérique de l'énantiomère 2 de configuration absolue (R, R) vaut par conséquent : ee = 95,6 %.

D'autres réactifs d'hydroboration ont été préparés à partir de composés éthyléniques chiraux comme le longifolène.

Additions radicalaires

Résultats expérimentaux
En étudiant l'addition de bromure d'hydrogène sous rayonnement ultraviolet le chimiste américain d'origine russe M. S. Kharasch a mis en évidence une addition de régiosélectivité inverse de celle observée pour l'addition ionique. L'orientation de l'addition est pour cette raison qualifiée d'anti-Markovnikov, terminologie qui se rapporte à la règle de Markovnikov. citée plus haut.

Mécanisme
Le mécanisme de cette réaction a été élucidé par M. S. Kharasch et F. R. Mayo en 1930. Il s'agit d'une réaction en chaîne avec des radicaux libres comme intermédiaires.

• Initiation : elle peut être photochimique en utilisant un rayonnement de longueur d'onde convenable permettant la coupure homolytique de la liaison de l'hydracide ;

  

  ou être réalisée par voie thermique en présence d'un initiateur de radicaux ;

  

  

• Propagation : l'addition de l'hydracide s'effectue de manière à fournir le radical le plus stable, c'est à dire celui qui est substitué par le plus grand nombre de groupes alkyles.

  

  

• Rupture : elle implique la recombinaison de radicaux et la présence d'une molécule du milieu permettant d'emporter l'énergie excédentaire.

  

Régiosélectivité
La régiosélectivité s'interprète par un contrôle cinétique de la réaction. L'étape cinétiquement déterminante est la formation du radical le plus stable.
Seul le bromure d'hydrogène est capable de réagir avec les composés éthyléniques selon ce mécanisme. En effet :

• avec HI, la première étape de propagation est très endothermique ;
• avec HCl c'est la deuxième étape de propagation qui est endothermique à cause de la stabilité assez élevée de la liaison entre l'hydrogène et le chlore.

Pour une revue complète sur ces réactions et leurs applications, consulter [88].

Métathèse des oléfines

Résultats expérimentaux
La découverte de la métathèse des alcènes a été faite en 1931. Il s'agissait de la disproportionation du propène en éthène et but-2-ène à haute température. Le premier exemple de métathèse catalysée a été rapporté par des chercheurs, R. L. Banks et G. C. Bailey en 1964 [57].

Le mot métathèse est formé à partir des mots grecs meta changer et tera place. Ce type de réaction a pris un essor considérable à partir des années 1980 sous l'impulsion de deux groupes sous la direction de D. Schrock (MIT) et de R. Grubbs (Caltech).

Les différents types de réactions de métathèse sont donnés ci-dessous.

• métathèse croisée (cross metathesis CM) ;

  

• fermeture de cycle (ring closing metathesis RCM) ;

  

• polymérisation de diènes acycliques (acyclic dien metathesis polymerisation ADMEP) ;

  

• ouverture de cycle (ring opening metathesis ROMP) ;

  

• métathèse des énynes (ring closing enyne metathesis RCEYM)

  

Mécanisme
Le mécanisme de la métathèse des alcènes a été proposé par Y. Chauvin [58].

Catalyseurs de métathèse
Le premier catalyseur réellement efficace en métathèse a été découvert par Schrock en 1980. Il s'agit d'un complexe métal-alkylidène au niobium représenté sur la figure ci-dessous (I). Le premier complexe métal-alkylidène avait lui même été préparé par Schrock en 1975. C'était un complexe du tantale. Schrock a ensuite préparé toute une série de catalyseurs au molybdène dont un exemple particulièrement efficace est (II).

Application des réactions de métathèse
La réaction la plus importante pour les applications en synthèse organique est la réaction de cyclisation RCM qui peut être réalisée à l'aide du catalyseurs de Grubbs de première génération. Les fermetures de cycles à cinq chainons sont les plus faciles mais il est possible de synthétiser des cycles plus grands à partir de composés possédant des méthylènes terminaux. La métathèse croisée, plus difficile, nécessite des catalyseurs de deuxième génération.

La métathèse permet de réduire considérablement le nombre d'étapes dans la synthèse de molécules complexes. L'exemple suivant concerne la synthèse de l'arénastatine, un composé possédant des propriétés cytotoxiques. La synthèse de ce macrocycle peut également être effectuée par macrolactamisation.

En 1996, Fürstener et Langemann ont publié une synthèse d'une lactone macrocyclique à odeur musquée utilisé dans l'industrie des parfums : l'Exaltolide.

Le schéma suivant est une étape de la synthèse d'une molécule de la famille des épothilones, un médicament antitumoral, par K. C. Nicolaou (1998).

Il est possible d'associer plusieurs réactions en cascade par exemple ROMP et RCM.

La métathèse du cyclooctatétraène est une très bonne méthode de préparation du polyacétylène.

Métathèse énantiosélective
Le premier exemple de catalyseur chiral a été publié par Schrock en 1993. Il s'agissait d'un catalyseur au molybdène permettant une réaction de type ROMP énantiosélective. Le premier catalyseur au ruthénium pour la fermeture de cycle (V) a été publié par Grubbs en 2001.

Voici un exemple d'une telle réaction énantiosélective.

Les catalyseurs chiraux peuvent être regroupés en deux catégories selon que le métal utilisé est le molybdène ou le ruthénium. L'utilisation de la métathèse énantiosélective dans la synthèse totale de produits complexes a littéralement explosé ces dernières années, permettant des excès énantiomériques souvent très élevés [72].

Hydroformylation

Résultats expérimentaux
L'hydroformylation est une réaction industrielle découverte par le chimiste allemand O. Roelen en 1938. Le procédé porte aussi le nom de procédé oxo car il permet l'insertion d'oxygène dans une chaîne carbonée. La réaction fait intervenir un cycle catalytique assez complexe. Le bilan est le suivant :

Hydroformylation énantiosélective
L'hydroformylation peut être réalisée de façon énantiosélective en utilisant un catalyseur soluble chiral du type de ceux rencontrés dans les réactions d'hydrogénation énantiosélective. La réaction suivante constitue une étape de la synthèse de la L-alanine. Le catalyseur est un complexe du rhodium comportant une diphosphine chirale appelée DIOP

Préparation des époxydes
La réaction entre un peroxyacide et un composé éthylénique permet la synthèse d'un époxyde (réaction de Prilezhaev, 1909). Plusieurs peroxyacides peuvent être utilisés, parmi lesquels : l'acide peroxybenzoïque, l'acide trifluoroperoxyacétique, l'acide métachloroperoxybenzoïque m-CPBA qui présente l'avantage d'être un solide qu'on peut conserver assez facilement.
Le sous produit de la réaction avec le peroxyacide est un acide carboxylique. L'utilisation d'un tampon basique permet d'éviter l'acidification de la solution. La réaction est généralement conduite dans le dioxane à une température proche de 0 °C. D'autres réactifs d'époxydation sont utiilisés :

• le monoperoxyphtalate de magnésium (MMPP) plus stable que m-CPBA ;
• le mélange oxydant suivant commercialisé par DuPont sous le nom d'oxone : 2 KHSO₅ /KHSO₄ / K₂SO₄ (notons que l'utilisation de ce réactif ne se limite pas aux époxydations des composés éthyléniques).

A partir du (Z)-but-2-ène comme substrat, on obtient le (2R, 3S)-diméthyloxacyclopropane achiral (composé méso)

Réalisée à partir du diastéréoisomère de stéréochimie E, la réaction conduit à un mélange racémique d'époxydes énantiomères. (2R, 3R) et (2S, 3S).

Remarque : si l'alcène Z n'est pas symétrique, on n'obtient pas l'époxyde méso mais le mélange racémique des énantiomères (2R, 3S) et (2S, 3R).
Plus généralement à partir d'un alcène de configuration donnée, on obtient deux époxydes énantiomères (en l'absence de méso).

La réaction entre le m-CPBA et un vinylsilane fournit un époxysilane.

Le m-CPBA peut être préparé par la réaction suivante.

La vitesse de la réaction d'époxydation est d'autant plus grande que la double liaison est plus riche en électrons. Ainsi, les liaisons substituées par des groupes alkyles réagissent plus vite que les liaisons non substituées. L'effet inductif donneur des groupes alkyles vis à vis de la double liaison accroissent la densité électronique.

Conséquence : l'époxydation du composé suivant est régiosélective.

Epoxydation diastéréosélective
La tension allylique qui se développe dans la conformation 1 rend la conformation 2 plus stable que la précédente d'environ 12 kJ.mol^-1.

Cette différence de stabilité est à l'origine de l'addition diastéréosélective du m-CPBA sur la face la moins encombrée du substrat lors de l'époxydation de l'alcool allylique ci-dessous.

Epoxydation énantiosélective de Sharpless (EA)
L'époxydation asymétrique des alcools allyliques a été mise au point par le chimiste américain K. B. Sharpless en 1980 [41]. Il s'agit d'un exemple de catalyse énantiosélective. Le substrat est un alcool allylique et l'oxydant est l'hydroperoxyde de tert-butyle (TBHP). Ces composés sont tous les deux achiraux. La reconnaissance des faces énantiotopiques de la liaison éthylénique nécessite un catalyseur chiral. Celui-ci est un complexe entre l'ester diéthylique d'un acide tartrique chiral et le tétraisopropoxytitane. Puisque la réaction est catalytique, 5-10 % (mol) de Ti(OiPr₄) en présence de tamis moléculaire 3 A suffisent.

L'exemple ci-dessous concerne la synthèse du (S)-glycidol (I), un époxyalcool utilisé dans la préparation de médicaments b-bloquants.

Les résultats obtenus sont donnés ci-dessous.

Composé	(S)-glycidol (I)	(R)-glycidol (II)
%	95	5

L'excès énantiomérique est donc : ee = 95 - 5 = 90 %. L'un des gros avantages de la réaction réside dans le fait qu'on peut choisir l'énantiomère voulu en utilisant l'un ou l'autre des deux tartrates.

(2S, 3S)-D-(-)-DET	(2R, 3R)-L-(+)-DET

L'image ci dessous représente la molécule de L-(+)-DET.

La réaction peut affecter l'une ou l'autre des deux faces de la liaison éthylénique. Avec la disposition des atomes de la molécule d'alcool allylique indiquée ci dessous :

• l'époxydation a lieu sur la face supérieure avec le tartrate D-(-) ;

  

• elle a lieu sur la face inférieure (lower face) avec le tartrate L-(+).

  

L'exemple suivant concerne l'époxydation du (E)-3, 7-diméthyl-2,6-octadièn-1-ol ou géraniol, un alcool allylique terpénique qu'on trouve à l'état naturel dans l'essence de géranium.

Le rendement est de l'ordre de 80 %. L'excès énantiomérique est supérieur à 90 %.

Peu de temps après sa découverte, l'époxydation de Sharpless a permis la synthèse d'une phéromone à l'échelle industrielle (J. T. Baker) : la disparlure ou (7R, 8S)-7, 8-époxy-2-méthyloctadécane. (phéromone de la mite gitane (gypsy moth). Les grandes lignes de sa synthèse sont données ci-dessous :

• l'étape clef de la synthèse est l'époxydation énantiosélective du substrat éthylénique de départ ;

  

• l'oxydation de la fonction alcool primaire par le réactif de Collins permet l'arrêt au stade de l'aldéhyde ;

  

• la synthèse se poursuit par une oléfination de Wittig suivie d'une hydrogénation.

  

La réaction de Sharpless a été mise à profit pour réaliser des dédoublements cinétiques de mélanges racémiques.

Le mécanisme exact de l'époxydation de Sharpless n'est pas connu avec certitude à l'heure actuelle. La présence d'une fonction alcool est essentielle pour que l'induction asymétrique ait lieu. K. B. Sharpless a obtenu le prix Nobel de chimie 2001 conjointement avec W. S. Knowles et R. Noyori [20].

Les époxydes dérivés d'alcools allyliques sont des 2,3-époxyalcools. Ils peuvent subir une réaction de transposition connue sous le nom de réarrangement de Payne.

Epoxydation énantiosélective de Jacobsen
Le substrat est un composé éthylénique de stéréochimie Z. L'oxydant (co-oxydant) est un hypochlorite. Le catalyseur est un complexe du Mn (III) utilisant un ligand chiral de symétrie C₂ dérivé du ligand salen [47]. Ce réactif a été élu "réactif de l'année 1994". L'époxydation de Jacobsen est un exemple de catalyse énantiosélective.

La réaction est diastéréosélective. Dans l'exemple précédent, on a un rapport cis/trans = 5,7.
Elle est aussi énantiosélective. Pour l'exemple précédent, les excès énantiomériques sont donnés ci-dessous.

Composé	I	II
Excès énantiomérique (ee)	85	62

Notons que le mécanisme de cette réaction est de type radicalaire.

Dihydroxylation

Utilisation du permanganate de potassium
La syn-dihydroxylation vicinale des composés éthyléniques peut être effectuée en utilisant comme réactif une solution diluée et neutre de permanganate de potassium à 0 °C. Des expériences réalisées au moyen d'oxygène 18, ont permis de montrer que les atome d'oxygène du diol proviennent de l'ion permanganate. Cela suggère la formation d'un ester permanganique intermédiaire dans lequel le manganèse est au degré d'oxydation +5 (voir [55]). Des substrats diastéréo-isomères fournissent des produits diastéréo-isomères. La réaction est diastéréospécifique de stéréochimie syn. Cette stéréospécificité s'explique par l'intervention de l'ester permanganique intermédiaire. Notons que l'état de transition présente une topologie aromatique à 6 électrons.

L'hydrolyse de cet ester fournit le diol méso.

MnO₃^- se dismute en MnO₂ et MnO₄^2- .

L'oxydation d'un composé éthylénique en diol par le permanganate de potassium doit être réalisée avec une solution diluée, en milieu neutre dans un bain de glace. En milieu acide, l'oxydation conduit à une coupure de la chaîne carbonée. Cette réaction constitue un test des composés éthyléniques appelé test de Baeyer.

Les demi-équations redox s'écrivent :

on en déduit l'équation de la réaction :

On observe une réaction du même type avec les alcynes.

Lorsqu'on opère à la température ambiante, on observe une coupure oxydante de la chaîne carbonée et conduit à la formation de composés carbonylés. Les aldéhydes éventuels sont oxydés en acides carboxyliques.

La dihydroxylation diastéréospécifique anti des composés éthyléniques peut être effectuée en réalisant successivement la préparation d'un époxyde suivie de son ouverture par les ions hydroxydes.

Utilisation du tétroxyde d'osmium
Un réactif plus chimiosélectif que le permanganate et permettant d'effectuer la même transformation est le tétroxyde d'osmium OsO₄. L'ajout d'une quantité stoechiométrique de tétroxyde d'osmium au composé éthylénique dans le THF conduit à un intermédiaire cyclique isolable. Là aussi, l'état de transition présente une topologie aromatique à 6 électrons.

L'hydrolyse de l'ester cyclique fournit le diol et de l'acide osmique.

Malheureusement ce réactif a un coût très élevé et un caractère extrêmement toxique. Une procédure particulière a été mise au point en 1975 par V. Van Rheenen, R. C. Kelly and D. Y. Cha de la firme américaine Upjohn. Dans ce cas, le tétroxyde d'osmium est utilisé en quantité catalytique en présence d'un oxyde d'amine tertiaire tel que le N-oxyde de N-méthylmorpholine (NMO), agissant comme cooxydant (c'est la raison pour laquelle cette réaction porte le nom de procédé Upjohn) [84]. L'addition d'un ligand achiral tel que la quinuclidine augmente la cinétique de réaction (en anglais : ligand accelerated catalysis). Voir : [85].

La réaction ci-dessous est une étape de la synthèse du cholestérol (Woodward 1952 [80].)

Oxydation de Lemieux-Johnson
La formation d'un diol par une quantité catalytique de tétroxyde d'osmium suivie de son oxydation en composé carbonylé par un équivalent de périodate de sodium ou d'acide périodique, peut être réalisée de façon monotope (ou en "un seul pot" : en anglais : one pot reaction). La première étape d'osmylation par OsO₄ en quantité catalytique est généralement effectuée à relativement basse température dans un solvant hétérogène dioxanne/eau mais d'autres conditions expérimentales peuvent être utilisées. Elle est suivie de la coupure oxydante de l'ester osmique. Cette suite de réactions constitue donc un clivage oxydant des composés éthyléniques en composés carbonylés appelée oxydation de Lemieux-Johnson (en hommage au chimiste canadien R. Lemieux et au chimiste américain W. S. Johnson). Lorsque le cas se présente, la réaction s'arrête au stade l'aldéhyde. Le résultat global est donc le même que celui d'une ozonolyse en milieu réducteur.

La réaction suivante est une étape de la synthèse du longifolène par W. S. Johnson utilisant comme oxydant en quantité catalytique RuO₄ au lieu de OsO₄ .

Pour le cycle catalytique, voir : [77]

Une autre technique de formation de diols syn à partir des composés éthyléniques est connue sous le nom de réaction de Prévost-Woodward. Voir : [87]

Rappelons également la réaction de Malaprade. Les a-glycols subissent une réaction de coupure en présence d'acide périodique HIO₄ pour donner des composés carbonylés.

Dihydroxylation énantiosélective (AD)
La dihydroxylation peut être rendue énantiosélective en utilisant une procédure mise au point par K. B. Sharpless en 1987 [41]. Comme l'époxydation énantiosélective du même auteur, il s'agit d'un exemple de catalyse énantiosélective. Mais alors que l'époxydation énantiosélective oblige à partir d'un alcène fonctionnalisé plus précisément un alcool allylique, la dihydroxylation peut être effectuée sur des liaisons éthyléniques ordinaires.

On trouve désormais dans le commerce des mélanges prêts à l'emploi appelés AD-mix-a et AD-mix-b. Leur composition est donnée ci-dessous :

Catalyseur	AD-mix-a	AD-mix-b
composition	1,4-bis(9-O-dihydroxyquinidine)phtalazine (DHQ) K2OsO5; K3Fe(CN)6 ; NaHCO3 ; MeSO2NH2	1,4-bis(9-O-dihydroxyyquinidine)phtalazine (DHQD)2-PHAL K2OsO5; K3Fe(CN)6 ; NaHCO3 ; MeSO2NH2

Selon qu'on utilise l'un ou l'autre des deux réactifs, la dihydroxylation affecte l'une ou l'autre des deux faces de la double liaison comme l'indique le schéma ci-dessous qui doit être considéré avant tout comme un moyen mnémotechnique. Les lettres R_G, R_M, R_P symbolisent la taille des groupes.

R_G > R_M > R_P

Les éléments chiraux de ces catalyseurs sont constitués par la dihydroquinine (DHQ) ou la dihydroquinidine DHQD séparés par un motif central : la phtalazine.

élément chiral	élément chiral	motif central
dihydroquinine (DHQ)	dihydroquinidine (DHQD)	phtalazine (PHAL)

La dihydroquinine et la dihydroquinidine sont des alcaloïdes dont la structure ressemble à celle de la quinine. Un exemple est donné ci-dessous. Un protocole expérimental est donné à la référence [40]

La dihydroxylation de Sharpless est une réaction importante qui a été mise à profit dans plusieurs synthèses récentes. Citons celle d'une phéromone d'agrégation d'une population d'insectes causant de graves dommages aux forêts de pins aux USA : la frontaline.

Avec le réactif AD-mix a, la réaction est facile. Elle fournit ici un excès énantiomérique relativement peu élevé ee = 65 %. Des excès énantiomériques beaucoup plus grands sont observés avec d'autres substrats. On trouvera des exemples aux références [18] et [19].

Aminohydroxylation énantiosélective (AA)
L'aminohydroxylation des composés éthyléniques concernait à l'origine la synthèse d'un mélange racémique d'aminoalcools en utilisant la chloramine T (Na⁺ClN^- Ts) comme réactif [46], [62]. La version énantiosélective par catalyse asymétrique a été décrite par K. B. Sharpless en 1996 [48]. Elle fait partie de la trilogie des réactions énantiosélectives (EA, AD, AA) qui ont valu le prix Nobel de chimie 2001 à leur auteur.

Applications
Synthèses d'oxazolidinones utilisées comme auxilliaires chiraux dans l'alkylation diastéréosélective d'Evans.

La synthèse suivante, au cours de laquelle l'intermédiaire n'est pas isolé s'effectue en une seule fois dans le même réacteur. C'est un exemple de réaction monotope (mono : unique, topos : endroit ; en anglais : one pot reaction.)

R = Me, Ph, CO₂Et
Ar = Ph, 4-MeO, 4-O₂NC₆H₅.

Peu de temps après sa découverte, la réaction d'aminohydroxylation énantiosélective a trouvé une application dans une synthèse élégante de la chaîne latérale du taxol en seulement quatre étapes [49].

Dans le même ordre d'idée, la réaction a été appliquée avec succès par l'équipe de P. Potier de l'ICSN de Gif dans l'hémisynthèse du taxotère. Ce composé de la même famille que le taxol mais plus actif que ce dernier, présente l'immense avantage d'être obtenu en quelques étapes à partir d'un composé extrait de l'If européen : la déacétylbaccatine (10-DAB) par simple estérification à l'aide de l'acide trans-cinnamique [82]
.

Ozonation

Résultats expérimentaux
Le trioxygène ou ozone est une variété allotropique du dioxygène. L'ozone donne des réactions d'addition avec les composés éthyléniques qui conduisent à des ozonides.

Le chimiste allemand C. F. Shönbein découvrit le trioxygène ou ozone O3 en 1839. L'ozone est présent à l'état naturel dans la haute atmosphère de la Terre. L'étude de la formation et de la décomposition de l'ozone a été récompensée par l'attribution du prix Nobel de chimie en 1995 à P. J. Crutzen, M. J. Molina et F. Sherwood Rowland [60]. Au laboratoire on le prépare en faisant traverser le dioxygène O2 par une effluve électrique dans un ozoniseur [53]. A la température ordinaire l'ozone est un gaz de couleur bleue possédant une odeur piquante qui lui a valu son nom (ozein signifie odeur en grec). L'ozone se liquéfie à -112 °C pour donner un liquide bleu explosif. Conformément au prévisions de la méthode VSEPR, la molécule d'ozone a la forme d'un V avec un angle entre les liaisons de 116,8°.

Il n'est pas possible de décrire la molécule d'ozone par une formule de Lewis unique. On peut rendre compte de sa structure en utilisant les formes mésomères suivantes :

La troisième formule limite est appelée : forme dipolaire 1, 3. Elle montre que l'ozone possède une extrémité électrophile et une autre nucléophile. La réaction entre l'ozone et un composé éthylénique s'appelle ozonation. Elle est réalisée à basse température et fournit un ozonide.

L'image de gauche représente le molozonide initial formé par cycloaddition entre l'ozone et le 1,1,2,2-tétraméthyléthène. Cet adduit se décompose ensuite spontanément en ozonide (voir le mécanisme plus bas). Comme tous les composés comportant une liaison peroxo, les ozonides sont des composés très instables.

On fait barboter un mélange de dioxygène et d'ozone issu d'un ozoniseur dans une solution d'alcène dans le méthanol ou dans le dichlorométhane à basse température (usuellement le mélange carboglace/acétone à - 78 °C). La disparition de l'alcène se caractérise par l'apparition de la couleur bleue de la solution traduisant la présence d'ozone en excès. Voir : [86].

Mécanisme
Le mécanisme actuellement admis a été proposé par R. Criegee en 1951. La réaction entre O₃ et la double liaison éthylénique est une cycloaddition dipolaire 1, 3. Le produit d'addition s'appelle molozonide ou parfois ozonide initial. Cette cycloaddition peut être interprétée en utilisant l'approximation des orbitales frontières. L'état de transition présente une topologie aromatique à 6 électrons.

Formellement, la molécule d'ozone ressemble beaucoup à un anion allylique. Les orbitales moléculaires p de l'éthylène ont été décrites plus haut.

Le mécanisme comprend les étapes suivantes :

• formation du molozonide par cycloaddition dipolaire 1,3 ;

  

• le molozonide est particulièrement instable du fait de l'existence de deux liaisons peroxo successives. Il se fragmente spontanément au cours d'une réaction de rétro-cycloaddition ;

  

• formation de l'ozonide.

  

Les ozonides sont rarement isolés du milieu réactionnel. Ils sont mis à réagir in situ avec le réactif souhaité. Bien que beaucoup plus stables que les ozonides primaires, les ozonides sont des composés explosifs en raison de la faible stabilité et de la grande labilité de la liaison peroxo. La réaction doit être réalisée à basse température derrière un écran de protection.

Ozonolyse
Une réaction intéressante des ozonides est leur réduction en composés carbonylés. Celle-ci peut être effectuée sous l'action de plusieurs réactifs :

• le zinc dans l'acide éthanoïque réduit les ozonides en aldéhydes ou en cétones ;

  

• une procédure plus récente consiste à utiliser le diméthylsulfure (CH₃)₂S (DMS) qui est oxydé en diméthylsulfoxyde (CH₃)₂S=O (DMSO). La triphénylphosphine Ph₃P est également utilisée.

  

• l'hydrolyse en milieu non réducteur (ozonolyse oxydante) fournit du peroxyde d'hydrogène comme sous-produit. Ce dernier provoque l'oxydation les aldéhydes éventuellement formés en acides carboxyliques.

  

  L'ozonolyse oxydante est peu utilisée en synthèse organique. On préfère en général travailler en milieu réducteur, isoler les produits puis les oxyder ensuite.

• les ozonides peuvent également être réduits en alcools en utilisant LiAlH₄ ou NaBH₄.

  

Application à la recherche des structures
Depuis sa découverte par C. D. Harries en 1903, la réaction a été largement utilisée pour localiser la position des doubles éthyléniques dans les molécules organiques.
Supposons que l'ozonolyse d'un alcène fournisse uniquement de la butanone et du méthanal. On en déduit qu'il s'agit du 2-méthylbut-1-ène.

De même, l'ozonation suivie d'hydrolyse d'un composé éthylénique founit la 4-méthylcyclohexanone et la propanone. On en déduit facilement la structure du composé éthylénique de départ.

Réalisée sur les produits d'élimination issus de la déshydratation des alcools ou de l'élimination d'Hofmann sur les ions ammonium quaternaires, cette réaction a permis d'élucider la structure de nombreux composés d'origine naturelle comme les alcaloïdes a une époque ou l'on ne disposait pas du puissant moyen d'investigation que constituent les méthodes spectrales.

Utilisation en synthèse
L'ozonolyse est aussi utilisée pour préparer des composés carbonylés ou dicarbonylés. Une préparation des composés dicarbonylés 1,4 consiste à effectuer l'ozonolyse d'un cyclobutène disubstitué préparé préalablement, par exemple, en effectuant une cycloaddition entre un cétène et un composé éthylénique.

Il existe d'autres méthodes :

• addition d'un dithiane lithié sur un accepteur de Michaël ;
• hydrolyse en milieu acide de dérivés disubstitués du furane ;
• Addition de Michaël d'un carbanion préparé à partir d'un dérivé nitré sur une a-énone, suivie d'une réaction de Nef.

La réaction suivante est une étape de la synthèse d'une phéromone d'insecte. Le composé dicarbonylé est obtenu par coupure du méthylcycloheptène lui même obtenu facilement à partir de la cycloheptanone qui est un produit commercial.

Associée à une réaction de cyclisation, la réaction peut servir à contracter un cycle. L'exemple suivant est extrait d'une synthèse de la (-)-(R)-sarcomycine, un composé à activité antitumorale (Robert K. Boeckman, 1980 [59]). Le substrat de départ est obtenu grâce à une réaction de Diels-Alder catalysée par TiCl₄ ;

la fermeture d'un premier cycle est effectuée par une cyclisation de Dieckmann ;

une seconde seconde cyclisation fait intervenir une transestérification ;

Notons que l'ozone réagit également avec les alcynes pour donner des acides carboxyliques.

Oxydation ménagée catalysée par le palladium

Oxydation en aldéhyde
L'oxydation de l'éthylène par le dioxygène de l'air permet la préparation industrielle de l'éthanal. Le procédé, mis au point en 1953 porte le nom de procédé Wacker. Il a supplanté la préparation de l'éthanal par hydratation de l'éthyne (acétylène). La réaction fait intervenir un cycle catalytique complexe mettant en jeu des composés organopalladés. Les principales étapes sont les suivantes :

• oxydation de l'éthylène par le palladium (II) et réduction concomittante de ce dernier en Pd (0) ;

  

• oxydation du Pd (0) en Pd (II) par le chlorure de cuivre (II) avec réduction de ce dernier en chlorure de cuivre (I) ;

  

• oxydation du chlorure de cuivre (I) en chlorure de cuivre (II) par le dioxygène de l'air.

  

Préparation de méthyl-cétones
La réaction d'oxydation des composés éthyléniques catalysée par le chlorure de palladium constitue une méthode générale de préparation des méthylcétones à partir des alcènes terminaux. Comme les méthyl cétones sont des intermédiaires importants en synthèse organique, la réaction possède un indéniable intérêt pratique. Cette méthode est plus intéressante que l'alkylation de l'acétone qui souffre d'un manque de sélectivité [25].

Coupure oxydante
Lorsqu'on utilise une solution concentrée de permanganate de potassium, à chaud, on observe une coupure oxydante de la double liaison éthylénique. Le trioxyde de chrome est également utilisé. Les composés éthyléniques disubstitués donnent des aldéhydes qui sont suroxydés immédiatement en acides carboxyliques.

D'où l'équation de réaction :

Les alcènes possédant un méthylène terminal sont oxydés en méthanal. Ce dernier est suroxydé en acide méthanoïque (acide formique) qui se décompose en CO₂ et en eau.

Les composés éthyléniques tétrasubstitués donnent des cétones.

Transposition de Cope
La transposition de Cope une réaction qui transpose le squelette des diènes-1,5. Du point de vue mécanistique, il s'agit d'une transposition sigmatropique [3, 3']. Si le diène n'est pas substitué, le produit d'arrivée est le même que le substrat de départ. La réaction est dégénérée. Cette transposition se rapproche de celle des éthers allyliques dite transposition de Claisen.

Bibliographie

Ouvrages expérimentaux

[1] Manuel d'expériences de chimie - UNESCO Société chimique de France - Université de Montpellier.
[2] P. Rendle, M. V. Vokins, P. Davis, Experimental Chemistry (Edward Arnold).
[3] L. F. Fieser, K. L. Williamson - Organic Experiments (D. C. Heath and Company).
[4] R. Adams, J. R. Johnson, C. F. Wilcox - Laboratory Experiments in Organic Chemistry (The Macmillan Company, Collier-Macmillan Limited).
[5] G. K. Helmkamp, H. W. Johnson Jr, Selected Experiments in Organic Chemistry (W. H. Freeman and Co).
[6] Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry (Longman).
[7] J. R. Mohrig, D. C Neckers, Laboratory Experiments in Organic Chemistry (D. Van Nostrand Company).
[8] R. Q. Brewster, C. A. Van der Werf, W. E. Mc Ewen, Unitized Experiments in Organic Chemistry (D. Van Nostrand Company).
[9] F. G. Mann, B. C. Saunders, Practical Organic Chemistry (Longman).
[10] M. T. Yip, D. R. Dalton, Organic Chemistry in the Laboratory (D. Van Nostrand Company).
[11] Miller, Neuzil, Modern Experimental Organic Chemistry (DC Heath, 1982).

Liens

[13] Than Tung Nguyen Dang - Eléments de chimie quantique
[14] Wilkinson catalyst
[15]
[16] Cholest-5-ene-3-one by L. F. Fieser Harvard University
[17] Ketones and Alcohols from organoboranes by Hiromichi Kono and John Hooz University of Alberta
[18] Sharpless Dihydroxylation
[19] Enantioselective Epoxydation of Allylic Alcohols
[20] The Nobel Prize in Chemistry 2001
[21] The Nobel Prize in Chemistry 1979
[22] The Nobel Prize in Chemistry 1976
[23] Assymetric hydrogenation of allylic alcohols using BINAP-ruthenium complexes by H. Takaya, T. Ohta, S. Inoue, M. Tokunaga and R. Noyori.
[24] Oxymercuration-reduction. Alcohols from olefins, 1-méthylcyclohexanol by J. M. Jerkunica and T. G. Traylor
[25] A general synthetic method for the preparation of methyl ketones from terminal olefins : 2-decanone by Jiro Tsuji, Hideo Nagashima, and Hisao Nemoto.
[26] Aldehydes from olefins
[27] Bromohydrins from alkenes and NBS by A. W. Langman and D. R. Dalton.
[28] (+)-isopinocampheol, a simple and convenient method for oxidation of organoboranes using sodium perborate by George W. Kabalka, John T. Maddox, Timothy Shoup, and Karla R. Bowers.
[29] Hydroboration by Jonathan Goodman, Cambridge University Chemical Laboratory.
[32] Studies toward new reagents for asymetric hydroboration by Kevin J. Hodgetts, Gerhard Lascober and Massimo Zorzi.
[36] 9-borabicyclo[3, 3, 1]nonane dimer by John A. Soderquist and Alvin Negron.
[37] Stereocontrolled Iodolactonization of Acyclic Olefinic Acid by F. Bermejo Gonzalez and Paul A. Bartlett.
[38] Sharpless dihydroxylation
[39] The Nobel Prize in Chemistry 1912
[40] (1S,2R) and (1R,2S)-trans-2-phenylcyclohexanol by Sharpless Asymmetric Dihydroxylation by Javier Gonzalez, Christine Aurigemma, and Larry Truesdale
[41] Searching for New Reactivity, Nobel Lecture, December 8, 2001, by K. Barry Sharpless, The Scripps Research Institute
[42] Thèse Delacroix
[43] Thèse Nury
[44] Sharpless aminohydroxylation
[50] The Sharpless epoxidation of allylic alcohols
[51] Asymmetric aminohydroxylation of alkenes
[52] Nobel Lectures H. C. Brown
[53] Ozone by L. I. Smith, F. L. Greenwood, and O. Hudrlik
[54] Ozonolytic cleavage of cyclohexene by Ronald E. Claus and Stuart L. Schreiber
[60] The Nobel Prize in Chemistry 1995
[61] The Nobel Prize in Chemistry 1994
[62] Osmium-Catalyzed Vicinal Oxiamination by Chloramine T by Eugenio Herranz and K. Barry Sharpless
[63] Grubbs reagent Catalyseur de Grubbs de deuxième génération
[64] E. J. Corey, The Nobel Prize in Chemistry 1990
[65] Spectres ABC des alcènes
[66] Cohalogenation of Limonen Synthèses stéréosélective d'époxydes par hydroxyhalogénation de composés éthyléniques.
[67] Ring-Closing Metathesis Synthesis of N-Boc-3-pyrrolin by Marcelle L. Ferguson, Daniel J. O'Leary , and Robert H. Grubbs
[68] Metathesis – a change-your-partners dance.
[69] Les porphyrines, structure propriétés et applications.
[70] La méthathèse : de Chauvin à la chimie verte
[71] Epothilones Un résumé sur l'origine, la synthèse et les applications en chimiothérapies de ces composés.
[72] Orbitales frontières, cycloadditions Cours de L. Grimaud, ENSTA.
[73] Thèse Royer, Ecole Polytechnique
[74] Introduction à la chimie moléculaire par les orbitales frontières Pascal le Floch, Ecole Poytechnique.
[75] Assymetric Hydrogenations, by W. S. Knowles. Conférence Nobel donnée le 8 décembre 2001 par W. S. Knowles
[76] Dopamine Sian Gregory and Paul M. Burnham, Hillsborough College, Sheffield, UK.
[77] Lemieux-Johnson Oxidation Mécanisme du cycle catalytique de la réaction de Lemieux-Johnson (accompagné d'exemples de synthèses récentes.)
[78] Fukui function by Paul W. Ayers, Weitao Yang, and Libero J. Bartolotti (définition, origine, propriétés et application des fonctions de Fukui.)
[85] Ligand Accelerated Catalysis by Chris Borths, MacMillan Group Meeting, October 3, 2001.
[86] ozone Master Organic Chemistry
[88] Kharasch Reaction and its Related Transformations by Klement Foo, Scripps Research Insitute.
[89] Safe Handling of Pyrophoric Liquids Oregon State University.

Articles

[30] R. Gibbs and W. P. Weber, J. Chem. Educ. 48 (1971), 477.
[31] W. S. Knowles, J. Chem. Educ. 63 (191986), 222-225.
[33] Brown, H.C. ; Yoon, N. M. J. Am. Chem. Soc., 1977, 99, 5514.
[34] Brown, H.C. ; Zweifel, G. J. Am. Chem. Soc., 1961, 83, 486
[35] Masamune, S.; Kim, B -M. ; Petersen, J. S. ; Sato, T. ; Veenstra, S. J. J. Am. Chem. Soc., 1985, 107, 4549.
[45] E. N. Jacobsen et al., J. Am. Chem. Soc.110, 1968 (1988).
[46] K. B. Sharpless et al., J. Am. Chem. Soc. 97, 2305 (1975)
[47] E. N. Jacobsen et al. J. Am. Chem. Soc 113, 7063 (1991).
[48] G. Li, H. T. Chang, K. B. Sharpless, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1996, 35, 451.
[49] G. Li, K. B. Sharpless, Acta Chem. Scand 1996, 35, 451.
[55] K. Wiberg et K. Saegebarth, The Mechanisms of Permanganate Oxidation J. Am. Chem. Soc.79, 2822 (1957).
[56] C. Djerassi and C. R. Scholz, J. Am. Chem. Soc.70, 417 (1948).
[57] R. L. Banks and G. C. Bailey, Ind. Eng. Chem., Prod. Res. Develop., 3; 170, (1964).
[58] J. L. Hérisson et Y. Chauvin, Makromol. Chem., 141, 161 (1970).
[59] Robert K. Boeckman Jr., Paul C. Naegely, and Samuel D. Arthur. J. Org. Chem., 1980
[80] R. B. Woodward, F. Sondheimer, D. Taub, K. Heusler and W. M. McLamore J. Amer. Chem. Soc. 74, 4223 (1952).
[81] A. C. Cope, E. M. Hardy, J. Am. Chem. Soc. 1940, 62, 441.
[82] Produits naturels anticancéreux, Daniel Guénard, Françoise Guéritte, Pierre Potier, l'actualité chimique, avril-mai 2003.
[83] Vineyard, B.D.; Knowles, W.S.; Sabacky, M.J.; Bachman, G.L.; Weinkauff, D.J. J. Am.Chem. Soc. 1977, 99, 5946. “Asymmetric Hydrogenation. Rhodium Chiral Bisphosphine Catalyst”.
[84] V. Van Rheenen, R. C. Kelly and D. Y. Cha, Tetrahedron Lett. 1976, 1973–76.
[87]Woodward, R. B.; Brutcher, F. V. J. Am. Chem. Soc.

Ouvrages théoriques

A. Streitwieser Jr, C. H. Heathcock - Introduction to Organic Chemistry, Macmillan Publishing Co.
J. March - Advanced organic chemistry, Wiley Interscience.
F. A. Carey, R. S. Sunberg - Advanced Organic Chemistry, Plenum Press 1990.
V. Minkine - Théorie de la structure moléculaire, Editions Mir 1979.
N. T. Ahn - Introduction à la chimie moléculaire, Ellipses 1994.
R. Brückner - Mécanismes réactionnels en chimie organique, De Boeck Université 1999.
J. C. Chottard, J. C. Depezay, J. P Leroux - Chimie fondamentale, Hermann 1982.
P. Laszlo - Logique de la synthèse organique. Cours de l'Ecole Polytechnique, Ellipses, 1993.
P. Atkins - Molecular Quantum Mechanics, Oxford University Press 1983.
J. -L. Rivail - Eléments de chimie quantique à l'usage des chimistes, InterEditions du CNRS, 1989.

---

RETOUR AU MENU DU COURS

Vous pouvez, si vous le souhaitez, utiliser le contenu de cette page dans un but pédagogique et non commercial.

Texte, dessins, photographies : Gérard Dupuis - Lycée Faidherbe de LILLE
avril 2015