Master de Sciences Mention Chimie Spécialité « Chimie Moléculaire et Supramoléculaire » Chimie Organique 1 Cours du professeur Jean-François Nicoud Réactions péricycliques : Les Règles de Woodward-Hoffmann *********************** Introduction : Les réactions concertées Définition, caractéristiques générales; étude d'une classe de réactions concertées: les réactions péricycliques. But: expliquer la réactivité, la stéréospécificité et la régiosélectivité de ces réactions, et montrer leur intérêt en synthèse organique. Chapitre I : Réactions électrocycliques Définition: réactions se produisant par passage d'un système π ouvert à un système fermé et réciproquement. 1°) Exemple: conversion cyclobutène butadiène a) Ouverture thermique des dérivés du cyclobutène réaction monomoléculaire; ouverture favorisée thermodynamiquement stéréospécificité de ces réactions: cas des cis- et trans-3,4-diméthyl- cyclobutènes conduisant aux E,Z- et E,E-hexa-2,4-diènes. b) Cyclisation photochimique des dérivés du buta-1,3-diène. de nouveau des réactions stéréospécifiques, mais le diène E,Z conduit au cyclobutène trans, et le diène E,E au cyclobutène cis Conclusion: le mécanisme thermique est différent du mécanisme photochimique. 2°) Les processus d'ouverture et de fermeture Définition des processus conrotatoire et processus disrotatoire. 3°) Analyse orbitalaire de la conversion cyclobutène buta-1,3-diène a) Les orbitales moléculaires π du buta-1,3-diène On se limite à la méthode de Hückel : Schémas des quatre orbitales moléculaires (OM) π : Ψ1 à Ψ4. b) Les orbitales frontières du buta-1,3-diène
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Master de Sciences Mention Chimie Spécialité « Chimie Moléculaire et Supramoléculaire »
Chimie Organique 1
Cours du professeur Jean-François Nicoud
Réactions péricycliques : Les Règles de Woodward-Hoffmann
***********************
Introduction : Les réactions concertées Définition, caractéristiques générales; étude d'une classe de réactions concertées: les réactions péricycliques. But: expliquer la réactivité, la stéréospécificité et la régiosélectivité de ces réactions, et montrer leur intérêt en synthèse organique.
Chapitre I : Réactions électrocycliques
Définition: réactions se produisant par passage d'un système π ouvert à un système fermé et réciproquement. 1°) Exemple: conversion cyclobutène butadiène a) Ouverture thermique des dérivés du cyclobutène réaction monomoléculaire; ouverture favorisée thermodynamiquement stéréospécificité de ces réactions: cas des cis- et trans-3,4-diméthyl- cyclobutènes conduisant aux E,Z- et E,E-hexa-2,4-diènes. b) Cyclisation photochimique des dérivés du buta-1,3-diène. de nouveau des réactions stéréospécifiques, mais le diène E,Z conduit au cyclobutène trans, et le diène E,E au cyclobutène cis Conclusion: le mécanisme thermique est différent du mécanisme photochimique.
2°) Les processus d'ouverture et de fermeture Définition des processus conrotatoire et processus disrotatoire.
3°) Analyse orbitalaire de la conversion cyclobutène buta-1,3-diène a) Les orbitales moléculaires π du buta-1,3-diène On se limite à la méthode de Hückel : Schémas des quatre orbitales moléculaires (OM) π : Ψ1 à Ψ4. b) Les orbitales frontières du buta-1,3-diène
Définition des HOMO et LUMO c) Règles de Woodward-Hoffmann pour la conversion cyclobutène buta-1,3-diène réaction thermique: conrotatoire; réaction photochimique: disrotatoire. justification de ces processus par l'analyse des orbitales frontières 4°) Généralisation: Réactions électrocycliques des systèmes polyéniques conjugués a) Orbitales moléculaires π d'un polyène conjugué OM π par la méthode de Hückel; calcul des coefficients par la formule de Coulson; analyse de la symétrie des OM π par rapport à un plan médian. conclusion: les OM π d'ordre impair sont symétriques (S) et les OM π d'ordre pair sont antisymétriques (A), par rapport au plan médian. b) Règles de Woodward-Hoffmann pour les réactions électrocycliques
polyène ouvert à N doubles liaisons conjuguées cycle polyénique à (N-1) doubles liaisons conjuguées.
HOMO Symétrique: disrotatoire; HOMO Antisymétrique: conrotatoire
Tableau récapitulatif en fonction du nombre d'électrons π concernés dans le système ouvert : 4q ou 4q+2.
réaction nombre d'électrons π
du système ouvert 4q 4q +2
thermique ∆
HO : A conrotatoire
HO : S disrotatoire
photochimique hν
HO : S disrotatoire
HO : A conrotatoire
5°) Exemples choisis a) Fermeture des triènes en cyclohexadiènes
b) Réactions du cyclohepta-1,3,5-triène le système qui réagit n'est pas toujours le système polyénique entier c) Elimination sur le 6-aminocyclonona-1,3-diène synthèse du cis-tétrahydroindène d) Obtention d'un "benzène de Dewar" à partir du 1,2,4-tri-tertiobutylbenzène
Réactions électrocycliques
Ouverture thermique de dérivés du cyclobutène
175 °C
∆H
H
H
H
CH3
CH3
CH3CH3
HH
hexa-2,4-diène (E,Z)
∆
175 °CH
H
HH
CH3
H3C
CH3
CH3
H
H
hexa-2,4-diène (E,E)
∆
diène E,Z
H
H
H
HH
H
COOMeCOOMe
COOMe
COOMe
COOMe
MeOOCH
H
H
H
Réactions électrocycliques
Cyclisation photochimique des dérivés du buta-1,3-diène
hνH
H
H
H
CH3
CH3
CH3
CH3
H
H
hexa-2,4-diène (E,Z)- cyclobutène trans
νhH
H
HH
CH3
H3C
CH3CH3
HH
hexa-2,4-diène (E,E) cyclobutène cis
Orbitales moléculaires π d'un polyène conjugué
Un polyène conjugué de n atomes de carbone est décrit par n orbitales moléculaires (OM) π. Chacune de ces n OM est décrite par une fonction d'onde Ψp :
k = n
Ψp = Σ Cpk φk
k = 1
p = n° de l'OM à partir de l'état le plus bas
φk = fonction d'onde atomique (orbitale 2pz) du kième carbone sp2 ****************************************************************************************************************
Dans l'approximation de Hückel, les valeurs des coefficients Cp
k sont calculables par la formule de Coulson :
Cp
k = πn + 1p k
Sin n + 1
2
p et k variant de 1 à n, on en déduit aisément :
* quand p est impair : Cp
1 = Cpn Cp
2 = Cpn-1 ;............; Cp
k = Cpn-k+1;
* quand p est pair : Cp
1 = - Cpn Cp
2 = - Cpn-1
Combinaisons d’orbitales p formant les orbitales moléculaires π de polyènes conjugués
SS
A
S
A
S
S
S
S
A
S
A
A
A
A
AS
S
S
A
S
A
S
A
S
S
S
A
Combinaisons des orbitales p formant les orbitales
moléculaires (OM) π pour des chaînes de 1 à 7 carbones sp2 La symétrie (S) ou l’antisymétrie (A) des OM par rapport à un plan médian perpendiculaire à la chaîne carbonée sont
indiquées
Règles de Woodward-Hoffmann pour les réactions électrocycliques
Cyclisation Polyène ouvert Cycle polyénique à N doubles à (N-1) doubles liaisons conjuguées liaisons conjuguées
Ouverture
========> Processus disrotatoire
P
HOMO symétrique par rapport au plan P
========> Processus conrotatoire
P
HOMO antisymétrique par rapport au plan P
Réactions électrocycliques : exemples a) Fermeture des triènes en cyclohexadiènes
=> le système qui réagit n'est pas forcément le système polyénique entier
∆
ou νh ??
cyclohepta-1,3,5-triène
H
H
H H
H
HH
H
H H
c) 6-aminocyclonona-1,3-diène ==> tétrahydroindène
∆∆
d'Hofmann
perméthylation
OH
AgOHMe3NNH2
d) Obtention d'un "benzène de Dewar" L'interconversion 1,3-diène / cyclobutène peut s'appliquer aussi au cycle benzénique dans certains cas : ainsi la fermeture photochimique du 1,2,4-tritertiobutylbenzène conduit au dérivé bicyclique A.
Aνht.Bu
t.Bu
t.Bu
H
HH
Η
t.Bu
t.Bu
t.Bu
La formation de A ne peut s'expliquer que par la cyclisation à partir d'un des trois systèmes diéniques du benzène. On obtient un "benzène de Dewar", où l'aromaticité est perdue, mais où l'encombrement des deux t.Bu en ortho est nettement soulagé. Pour un diène la cyclisation photochimique est disrotatoire, donc la jonction du cycle est cis (c'est la seule possibilité sans trop de contrainte). La réaction a lieu photochimiquement à une longueur d'onde λ absorbée par le benzène, mais pas par le bis-cyclobutène A. Donc pas de réversibilité par ouverture photochimique de A. Mais est-ce possible thermiquement ? En principe oui, mais que donnerait cette ouverture thermique (donc à mécanisme conrotatoire) ? Considérons les ouvertures possibles (1 et 2) des deux cycles cyclobutènes :
A
∆
∆Η
t.Bu
t.Bu
t.But.Bu
t.But.Bu
H
H
t.Bu
t.But.Bu
H
H
Aucun des ces chemins réactionnels n'est envisageable car cela introduirait des doubles liaisons E dans le cycle benzénique. Le bis-cyclobutène A doit donc sa stabilité à l'impossibilité de la réaction inverse, pour des raisons de symétrie orbitalaire. Remarque : La pyrolyse de A redonne quand même le tritertiobutylbenzène de départ, mais dans ce cas ce n'est plus un mécanisme concerté, et les règles de symétrie ne jouent plus (il s'agit d'un mécanisme radicalaire).
Réactions électrocycliques dans la nature : L’acide endiandrique
H
H
HHO2C
Ph
Le produit naturel est racémique, bien que chiral ! (les composés naturels chiraux sont le plus souvent des énantiomères purs, tout au moins fortement enrichis en un énantiomère, parce que synthétisés à l’aide d’enzymes qui sont des catalyseurs chiraux)
la biosynthèse de l’acide endiandrique n’implique probablement pas d’enzyme
En 1982, Nicolaou a montré que cela pouvait provenir de 2 réactions électrocycliques successives à partir d’un
précurseur polyénique
HO2CPh
réaction électrocycliqueà 8 eπ (thermique)
conrotatoire
HO2CPh
réaction électrocycliqueà 6 eπ (thermique)
réaction électrocycliqueà 6 eπ (thermique)
2ème possibilitédisrotatoire
H
H
H
H
HO2C
HO2C
Ph
Ph
HH
HH
jonction decycle cis
disrotatoire1ère possibilité
acide endiandrique naturel
stéréoisomère
Chapitre II : Les réactions sigmatropiques
1°) Définition; exemples migration de liaison σ ; définition de l'ordre [i,j] de la migration; réaction de Cope, migration d'hydrogène, réaction de Claisen (on dira également "transposition" ou "réarrangement"). Nombre d'électrons mis en jeu = i + j.
2°) Transpositions sigmatropiques d'ordre [1,j] : la migration d'hydrogène a) Processus de migration et analyse de l'état de transition Migrations [1,3] plutôt photochimiques, migrations [1,5] plutôt thermiques; définition des modes de migration : processus suprafacial et processus antarafacial; analyse des processus possibles par la méthode des orbitales frontières: on admet un état de transition radicalaire pour faire l'analyse (mais la réaction n'est pas radicalaire), d'où la règle suivante : la stéréochimie des réactions sigmatropiques est contrôlée par la symétrie de la H.O. (HOMO) du radical hydrocarboné mis en jeu. b) Migration d'hydrogène [1,3] orbitales moléculaires π du radical allyle par la méthode de Hückel; H.O. du radical; conclusions: réaction thermique (∆) = antarafaciale réaction photochimique (hν) = suprafaciale c) Généralisation à la migration [1,j] calcul des coefficients de la HO (HOMO) du radical par la formule de Coulson. conclusion: règle de Woodward-Hoffmann pour les migrations d'H [1,j]: supra, ∆ , si j = 4q+1; supra, hν, si j = 4q-1 (inverse pour les réactions antara). d) Exemples 1) migration hν [1,3] sur un diène stéroïde 2) migration ∆ [1,5] sur le 5-méthylcyclopenta-1,3-diène 3) migration [1,7] possible thermiquement antara car système flexible.
3°) Transpositions sigmatropiques d'ordre [i,j] : règle générale et exemples a) Règle générale pour les processus thermiques:
[i+j] supra-supra antara-antara
supra-antara antara-supra
4q ∆ interdit ∆ permis 4q + 2 ∆ permis ∆ interdit
b) La réaction de Cope : migration [3,3] (1940) réarrangement thermique d'ordre [3,3] d'un diène-1,5. Etat de transition "chaise"; cas du méso-3,4-diméthylhexa-1,5-diène. Conservation de la chiralité. c) Le réarrangement "oxy-Cope" d) La réaction de Claisen : migration [3,3] (1912)
réarrangement thermique d'ordre [3,3]; exemple simple: éthers d'énol et d'allyle; cas particulier des éthers d'aryle et d'allyle; deuxième migration en para en cas de positions ortho occupées.
Exemples de réactions sigmatropiques 1°)
réarrangement sigmatropique [3,3] (Réaction de Cope)
réarrangement sigmatropique [3,3] (Réaction de Claisen)
liaison σnouvelleσ
qui migreliaison O O
4°)
réarrangement sigmatropique [5,5]
liaison σσ nouvelle
qui migreliaison
Conclusion : pour une transposition [i,j] le nombre
total d'électrons σ et π mis en jeu est égal à i+j
Migration d'hydrogène [1,3]
.
.H
H
H2CCH
CH2CH2CH
H2C
H
H2CCH
CH2
Analyse de l’état de transition Hen considérant + radical allyle
.
Ψ 1
2
Ψ3
Ψ .
CH2 CH CH2
.
Réaction thermique : Réaction photochimique :
Processus antarafacial Processus suprafacial
Exemples de migration d’hydrogène a) Quel est ce type de réaction ?
νh
H HAcO
R
H
HAcO
R
b) Le 5-méthylcyclopenta-1,3-diène se réarrange thermiquement en 1-méthyl-cyclopenta-1,3-diène : expliquer
∆Me Me
c) Une migration d'hydrogène [1,7] est-elle possible thermiquement ?
∆H
HO HO
Me
d) Expliquer cette isomérisation thermique du cycloheptatriène monodeutéré :
100 - 140°C
∆
H D
HH
D e) Expliquer l'isomérisation thermique suivante :
∆
Réactions sigmatropiques [3,3]
(100%)1h350°C
CH2H2C CH2H2C
98°C(80-90%)
CH3O
H3CH3C H
O
CH3
[3,3]
∆∆
Fermeture électrocycliquebutadiène cyclobutène
H
H
H
H
H2C
H2C
H2C C C
CCH2C
C
C
C
C
H2C
H2C
410°C
∆
OHC
O
H
OH
Réarrangements Oxy-COPE 1) 3-hydroxy-1,5-diène
OHCH CH2
CH CH2
∆
320°C
OH
O
(90%)
2) Oxy-COPE anionique
a) H
3COH
CH CH2O
CH3
H3C
C CH2
CH3
KH
18-couronne-625°c, 18h
(75%)
b) Pb :Expliquer la stéréochimie cis de la jonction de cycle dans A
A OH
re H (KH, THF
flux, 18h
O
H
98%)
O
HH
H
H
O
K
K
H3O
Stéréochimie d'un réarrangement de Cope H H les 2 méthyles en "cis"==> composé méso
∆
225°C+
> 99% < 1%
H3C
H3C
H3C
H3C
3C
3C
La stéréochimie E,Z du produit majoritaire est explicable à partir d'un état de transition "chaise" :
H
H
H
H
H
H3C
H3C
H3C
H3C
H
H3C
HCH3
HH
état de transition "chaise" Le produit minoritaire s'explique par un état de transition"bateau", d'énergie d'activation beaucoup plus élevée :
H3CH3CH3C
H
HCH3
H
CH3H
H
HCH3
état de transition "bateau"
Stéréochimie des réactions sigmatropiques Cas d'une réaction de Cope :
C* de configuration S
∆
double liaison Z Eou ?
C* R Sou ?
Ph
H3C
CH3
Ph
CH3
H3C
On considère l'état de transition "chaise" le plus favorable, c'est à dire avec le phényle en position équatoriale :
Edouble liaison
C* de configuration
état de transition "chaise"
R
H
HH
Ph
CH3
CH3
H
CH3
PhCH3
Ph
CH3
CH3
L'autre conformation "chaise", avec le phényle en position axiale, conduit au produit minoritaire Z,S.
Transposition de Claisen
Réaction sigmatropique [3,3]
O
R
O
R
∆
[3,3]
Conservation de la chiralité
O
∆3,3
O
*
* * CO
H
Cas des éthers d’aryle et d’allyle
tautomérie
(rapide)
O R
H
Claisen (lent)
∆O R O RH
Cas particulier du blocage des positions ortho:
RO
R
R'∆
Claisen
RO
R
R'
∆Cope
OR
RH
R'
tautomérie
(rapide)
OR
RR'
H
Chapitre III : Les réactions de cycloadditions 1°) Définition notation [m+n]; exemples 2°) Analyse des cycloadditions par les orbitales frontières a) Réactions thermiques (∆) interactions HOMO-LUMO seules "permises" b) Réactions photochimiques (hν)
interactions favorables seulement entre les deux HOMO et les deux LUMO (théorème de Fukui-Salem).
conclusions sur modes de cyclisation possibles: supra-supra (ou antara-antara) qui nécessitent la même symétrie, et supra-antara (ou antara-supra). Conditions de symétrie requises pour les orbitales frontières; généralisation:
Systèmes à (m+n) électrons π
Réaction thermique∆
Réaction photochimiquehν
4k s,a ou a,s s,s ou a,a 4k + 2 s,s ou a,a s,a ou a,s
Règles de Woodward-Hoffmann pour les cycloadditions [m+n]
3°) Cycloadditions [4 +2] essentiellement des réactions thermiques "permises" supra-supra a) La réaction de Diels-Alder ==> Il faut une conformation cissoïde possible du diène Le "Diels-Alder" classique: diène enrichi en électrons, diénophile appauvri en électrons, exemples. Les diènes et diénophiles les plus courants. Propiétés de la réaction de Diels-Alder: * Régiochimie: deux orientations avec diène et diénophile monosubstitués. (cas des réactions de Diels-Alder à "demande électronique inversée"). * Réversibilité: cas de la préparation du cyclopentadiène; le "rétro-Diels-Alder" * Stéréochimie: la réaction de Diels-Alder est stéréospécifique; stéréochimie Z ou E du diène ou du diénophile conservée en cis ou trans sur le produit de cycloaddition; exemples. "règle endo" ou "règle d'Alder". Autres exemples : réaction intramoléculaire; le diène de Danishefsky. b) Cycloadditions dipolaires-1,3. Exemples de dipoles-1,3: diazométhane, dérivés azido, nitriles-N-oxydes et nitrones. Exemples de synthèses d'hétérocycles par cycloaddition dipolaire-1,3. 4°) Cycloadditions [2+2] a) Réactions photochimiques formation de dérivés de cyclobutane b) Réactions thermiques réaction supra-antara; cas des cycloadditions sur les dérivés du cétène. 5°) Cycloadditions [m+n] quelques exemples choisis: [4+6] etc...
Les cycloadditions [m+n] (m
n électrons πm électrons π (n/2 doubles liaisons)/2 doubles liaisons)
*************************************************************************** Synthèse d’un composé « cage »
+
O
O
∆4 + 2
Diels-Alder
H
H
O
O
2 + 2 supra-supraintramoléculaire
hν
OO
H
H
composé "cage"
Cycloadditions [2+2] thermiques
LUMO de la partie alcène du cétène :
C C OH
H
Cycloaddition thermique d'un cétène sur un alcène : ==> approche perpendiculaire (= supra-antara) des deux molécules
C
C
O
C
C
CO C
LUMO de la partiealcène du cétène
HOMO del'alcène
même système vu de côtémouvement de torsion pour obtenirdes interactions liantes
Cyclobutanone
O C CC
C O
Exemple: quelle stéréochimie pour la cyclobutanone formée?
[2+2]
∆+O C CH OEt R CH CH2
R
OEtO
O C CC
C O
H H
HR
OEt
HO C C
C
C
H H
HR
OEt
HH
HR
OEt
R et OEt se retrouvent en cis sur la cyclobutanone
Cycloadditions thermiques [m+n] Le polyène cyclique A réagit thermiquement avec le butynedioate de méthyle pour donner les deux produits B et C. Expliquer.
+ ∆+
A B C
COOMe
MeOOCCOOMe
MeOOC
COOMe
COOMe
C
C
Deux réactions thermiques sont "permises" par les règles de Woodward-Hoffmann a) [4+2] type Diels-Alder (supra-supra)
∆B[4+2]
supra-supraC
COOMe
MeOOC
COOMe
MeOOCC
b) réaction [8+2] à 4k+2 électrons (k=2), permise supra-supra