1 Chapitre 2.1 : Les carbonyles Chapitre 2.1 : Les carbonyles MOOCs : http://escomchimieorga3a.wordpress.com Onglet : Chapitre 2.1
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Chapitre 2.1 : Les carbonyles Chapitre 2.1 : Les carbonyles
MOOCs : http://escomchimieorga3a.wordpress.com
Onglet : Chapitre 2.1
http://escomchimieorga3a.wordpress.com/
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partie 1 : réactions sur sitepartie 1 : réactions sur site
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Structure géométrique et électroniqueStructure géométrique et électroniqueSite de protonation
● Un électrophile de bonne qualité dispose d’une BV relativement basse en énergie ● il interagit avec une molécule ayant une HO relativement haute en énergie.
E+ (H+ par exemple) interagira d'abord avec l'atome d'oxygène.
L’activation électrophile augmente la vitesse des additions nucléophiles sur les composés carbonylés.
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Structure géométrique et électroniqueStructure géométrique et électroniqueRéactivité électrophile
● Un réactif nucléophile est caractérisé par une HO de relativement haute énergie. ● Il interagit avec la BV du composé carbonylé.
En ce qui concerne le méthanal, le coefficient le plus élevé dans la BV est sur l’atome de carbone et le nucléophile se fixe donc sur cet atome.
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Structure géométrique et électroniqueStructure géométrique et électroniqueComparaison de la réactivité d’un aldéhyde et d’une cétone.
A structure équivalente, un aldéhyde est plus réactif qu'une cétone vis à vis d'une AN.
E(eV)
LNu
-1.58
-2.6
HNu
-11.9
-12.3
Nu
H3C H
O
H3C CH3
O
LUMO
LUMO
LUMO
HOMO
HOMO
HOMO
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Quelques méthodes de préparation usuellesQuelques méthodes de préparation usuelles1. Oxydation des alcoolsOxydation de Jones pour la préparation des cétones.Attention : suroxydation des aldéhydes en acide carboxylique
OHNa2Cr2O7, H2SO4
H2O
O
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Quelques méthodes de préparation usuellesQuelques méthodes de préparation usuelles1. Oxydation des alcoolsPCC pour oxyder un alcool en aldéhyde ou cétone.Attention : suroxydation des aldéhydes en acide carboxylique (voir PCC en présence d'eau)
OH Pyridine, CrO3, HClO
H
N
HCl
N
H Cl
Na2Cr2O7+ HCl
CrO3 N
HCr
O
O
O Cl
PCC
N
HCr
O
O
O Cl
O
H
CH3
Cr
O O
HO OCH3
N
H Cl
H
O
H3C H
+ "CrIII"
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Quelques méthodes de préparation usuellesQuelques méthodes de préparation usuelles1. Oxydation des alcoolsAvec Jones ou si on prépare in situ son PCC, voici ce qui peut se passer :
La solution : si on prépare le PCC in-situ, le séparer et le sécher avant utilisation. Sinon, il existe tout prêt (environ 16€ les 25g chez Aldrich en 2010)
R
OH"CrVI"
R
O
H
H+/ -H+
H2O R
OH
OHhydrate
"CrVI"
R
O
OHalcool
aldéhydeacide carboxylique
H
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Quelques méthodes de préparation usuellesQuelques méthodes de préparation usuelles2. Oxydation des alcools de Moffatt et de SwernCe sont deux oxydations très semblables et ménagées qui permettent de s'arrêter à l'aldéhyde ou cétone.
R
OH Moffatt : DMSO, DCC, H+
R
O
Swern : DMSO, Chlorure d'oxalyle,Triéthylamine
Semestre 1
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Mécanismes
Quelques méthodes de préparation usuellesQuelques méthodes de préparation usuelles3. Rappels alcènes et alcynes.Ozonation/ozonolyse d'alcènes
Hydratation d'alcynes.
H
R1
H
R2O3
agent réducteurtype Zn/AcOH, PPh3 ou Me2S
R1CHO + R2CHO
R H
Hg(OAc)2/H2SO4R CH3
O
(Cy)2B-HH2O2OH-
R
O
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Additions Nucléophiles sur le carbonyleAdditions Nucléophiles sur le carbonyleAddition des organomagnésiens
Formaldéhyde Alcool classe 1
Aldéhyde Alcool classe 2
Cétone Alcool classe 3
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Additions Nucléophiles sur le carbonyleAdditions Nucléophiles sur le carbonyleMécanismesMécanisme simplifié :
Mécanisme réel :
Autocatalyse
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Réduction de Meerwein-Ponndorf-VerleyLa réduction de Meerwein-Ponndorf-Verley constitue une méthode de réduction douce des composés carbonylés.
Réduction des composés carbonylésRéduction des composés carbonylés
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Réduction des composés carbonylésRéduction des composés carbonylés
Mécanisme ?Rôle du solvant ?
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Réduction des composés carbonylésRéduction des composés carbonylésRéduction duplicative, couplage pinacolique
O
CH3H3C
Mg2O
CH3H3C
O
CH3H3C
Mg
O
CH3H3C
O
CH3H3C
Mg
H2OO
CH3H3C
H3C CH3
O
H2O, H2SO4
Mg2+
O
CH3H3C
H3C
H3C
Réduction duplicative
transposition pinacolique
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Diastéréosélectivité des additionsDiastéréosélectivité des additionsCRAM en 1952 :
OPh
H CH3
1) CH3MgBr2) H3O+
OHPh
H CH3
OHPh
H CH3H3C H3C
H H
A (71%) B (29%)
+
plan3D
Attaque Devant/derrière
Statistique 50/50 MAIS C* Encombrement
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Diastéréosélectivité des additionsDiastéréosélectivité des additionsModèle de CRAM : Modèle de FELKIN
Ce modèle est pratique, mais largement insuffisant, car il ne tient pas compte des 107° d'attaque.
Modèle de FELKIN-ANH(Tetrahedron Lett.,1976, 155). Il s’applique quand il n’y a pas formation de complexe chélaté entre le réactif et le substrat.G (Gros), M (Moyen) et P (Petit).
● attaque dans la partie du plan ne comportant pas G,
● angle d’attaque de 107 degrés de BÜRGI-DUNITZ
● évite le groupe M plus encombrant que le groupe P.
Le carbonyle est placé perpendiculairement à G, tandis que le groupe R (H) est placé le plus loin de M. L'angle d'attaque de Nu est à 107° du C=O.
P = petitM = moyen
G = grosR = alkyl ou H
Nu = nucléophile
Ce modèle est pratique, mais largement insuffisant, car il ne tient pas compte des effets stériques entre les groupes.
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Diastéréosélectivité des additionsDiastéréosélectivité des additionsModèle de FELKINModèle de FELKIN-ANH
(Tetrahedron Lett.,1976, 155). Il s’applique quand il n’y a pas formation de complexe chélaté entre le réactif et le substrat.G (Gros), M (Moyen) et P (Petit).
● attaque dans la partie du plan ne comportant pas G,
● angle d’attaque de 107 degrés de BÜRGI-DUNITZ
● évite le groupe M plus encombrant que le groupe P.
Le carbonyle est placé perpendiculairement à G, tandis que le groupe R (H) est placé le plus loin de M. L'angle d'attaque de Nu est à 107° du C=O.
P = petitM = moyen
G = grosR = alkyl ou H
Nu = nucléophile
Ce modèle est pratique, mais largement insuffisant, car il ne tient pas compte des 107° d'attaque.
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P = petitM = moyen
G = grosR = alkyl ou H
Nu = nucléophile
Diastéréosélectivité des additionsDiastéréosélectivité des additionsModèle de FELKIN-ANH(Tetrahedron Lett.,1976, 155).
● attaque dans la partie du plan ne comportant pas G,
● angle d’attaque de 107 degrés de BÜRGI-DUNITZ
● évite le groupe M plus encombrant que le groupe P.
Le carbonyle est placé perpendiculairement à G, tandis que le groupe R (H) est placé le plus loin de M. L'angle d'attaque de Nu est à 107° du C=O.
Il s’applique quand il n’y a pas formation de complexe chélaté entre le réactif et le substrat.
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Diastéréosélectivité des additionsDiastéréosélectivité des additions1) Passer la molécule en conf iguraton demandée puis en Newman :
CH3
H
OEt
S CH3
H
OEt
S
1
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H CH3OEt
H CH3O Et
2) Placer G perpendiculairement au carbonyle3) Placer M le plus loin de R
OuiOui
OuiNon
4) Sur le bon modèle, f aire attaque le Nu à 107°5) Comparer les ef f ets stériques pour connaître les quota
H CH3OEt
Nu
Nu
CH3HNu
OHEtCH3HEt
OHNu
MAJORITAIRE
minoritaire
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Diastéréosélectivité des additionsDiastéréosélectivité des additionsModèle de CRAM chélaté
Ce modèle (J. Am. Chem. Soc. 1959, 81, 2748)
● atome de carbone en position α comporte un groupe possédant un doublet non liant
● réactif comporte un site acide de LEWIS.
Pour des raisons stériques élémentaires, le nucléophile attaque préférentiellement, selon l’angle de 107°, du côté le moins encombré du plan.
s’applique quand le réactif peut donner un complexe avec le substrat qui fige la conformation de la molécule.
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Additions nucléophiles suivies d'éliminationAdditions nucléophiles suivies d'éliminationAcétalisation et cétalisation
Le composé obtenu est un acétal (respectivement cétal) lorsqu’il est issu d’un aldéhyde (respectivement d’une cétone).
heating
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Hémiacétals et hémicétals. Le composé obtenu est un hémiacétal (respectivement hémicétal) lorsqu’il est issu d’un aldéhyde (respectivement d’une cétone).
Application particulière : Hémiacétalisation des sucres
Additions nucléophiles suivies d'éliminationAdditions nucléophiles suivies d'élimination
O
BuOHAPTStoluene
-H2O
OOH
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Additions nucléophiles suivies d'éliminationAdditions nucléophiles suivies d'éliminationMécanismes :
Application de la réaction :
Protection / déprotection des carbonyles.
H3C O
H H+
H3C O
HH
Et-O-H
H3C OH
HOEt
-H+
Hémiacétal
H+
H3C O
HOEt
H
H
H3C
H
OEt
EtOH
H3C
H
OEt
OEt
Acétal
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Réactions avec amines primaires et dérivésRéactions avec amines primaires et dérivésGénéralités
Nous allons symboliser le composé azoté par ZNH2. Cette écriture permet de traiter simultanément plusieurs réactions qui procèdent d'un mécanisme semblable.
Z Réactif Produit RemarquesH ammoniac produit non isolableR produit isolable
hydrazine produit isolable produit isolable
OH produit isolable produit isolable
imine non substituée amine imine substituée
NH2 hydrazoneNHPh phénylhydrazine phénylhydrazone
hydroxylamine oximeNH-CO-NH2 semi-carbazide semi-carbazone
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Réactions avec amines primaires et dérivésRéactions avec amines primaires et dérivés
PH = 4-5
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Réactions avec amines primaires et dérivésRéactions avec amines primaires et dérivésTransposition de BECKMANN
Transposition de Beckmann
NHO
H2SO4 (concentré) NH
O
caprolactameoxime
HN
O
nylon-6
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Réactions avec amines primaires et dérivésRéactions avec amines primaires et dérivésTransposition de BECKMANN sur des composés dissymétriques Attention! : le groupement
transposé est toujours celui en trans de l'hydroxyle!
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Réactions avec amines primaires et dérivésRéactions avec amines primaires et dérivésRéduction de WOLF-KISHNER
Sert à la réduction d'aldéhydes et de cétones à des alcanes.
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Réactions sur l'atome de phosphoreRéactions sur l'atome de phosphoreRéaction de WITTIG
R' H
O
PR R
R
H R""R
R'
Diastéréosélectivité : Le composé majoritaire obtenu à partir d’un alkyltriphénylphosphonium est en général celui de descripteur stéréochimique Z. S’il s’agit d’un ylure stabilisé (Wittig-Horner par exemple, voir plus loin), l’alcène prépondérant est souvent de descripteur E.
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Réactions sur l'atome de phosphoreRéactions sur l'atome de phosphore
CH3-Br + PPh3 PPh
PhH3CPh n-BuLi
PPh
PhH2CPh
Ylure de phosphore
R'
O
H
O
HR'
Ph3P
HH
Ph3P O
HH H R'
oxaphosphétane
R'+
PPh3O
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Réactions sur l'atome de phosphoreRéactions sur l'atome de phosphore
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Réactions sur l'atome de soufreRéactions sur l'atome de soufreRéaction de COREY-CHAYKOVSKY, la petite sœur de WittigLe début (préparation de l'ylure, réaction) est mécanistiquement identique à Wittig. Seule la fin de la réaction change.
Semestre 1
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Fehling, Tollens
OxydationOxydationOxydation des aldéhydes
Jones, si hydratation En gem-diol
(présence d'eau)
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l'insertion de l'atome d'oxygène s'effectue avec une rétention complète de la configuration.
OxydationOxydationOxydation des cétones
Oxydation de Baeyer-Villiger
t-alkyle > s-alkyle > phényle > n-alkyle > CH3
O BF3O
BF3
O
R O
OH
O
BF3
O
H
O
O R
H+O
BF3
OO
O R
O
O
RCOO- +
BF3
- BF3O
O
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OxydationOxydationSi le substrat est une cétone cyclique, on obtient une lactone.
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Partie 2 : réactivité en Partie 2 : réactivité en αα
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Déprotonation en Déprotonation en ααAcidité en position α
Mésomérie :
O
H2C
H3C
H3CCH3
H
Base
O
CH2H3C
H3CCH3 Proton en alpha du carbonyle et
carbanion localement plan : déprotonation possible (pKa = 20)
Il faut que la molécule soit déprotonable !
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Les composés carbonylés ayant en général un caractère acide très faible, il faut utiliser une base assez forte pour en réaliser la déprotonation totale.
Déprotonation en Déprotonation en αα
Attention ! La déprotonation totale des aldéhydes n’est pratiquement jamais mise en oeuvre, car ceux-ci donnent des réactions rapides avec l’énolate formé, c'est à dire qu'ils réagissent sur eux-même.
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Déprotonation en Déprotonation en ααRégiosélectivité de la déprotonation :
Si le composé possède plusieurs sites énolisables, se pose le problème de la régiosélectivité de la déprotonation.
● Sous contrôle cinétique, l’énolate majoritaire correspond à l’atome d’hydrogène le plus facile à arracher, donc le plus dégagé stériquement et le plus acide (II).
● Sous contrôle thermodynamique, l’énolate majoritaire est le plus stable (I), correspondant à la double liaison C=C la plus substituée dans la formule mésomère énolate. Dans le cas où l’un des énolates est plus conjugué que l’autre, c’est le plus conjugué qui est majoritaire.
CinétiqueThermodynamique
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Déprotonation en Déprotonation en ααQuelles sont les conditions permettant de favoriser l'un ou l'autre des deux contrôles ?
Conditions de la réaction I IICétone additionnée à un excès de base 28 72Excès de cétone additionnée à la base 78 22
Base (B) I IILDA 1 99
78 22Et3N
Base forte = arrachement cinétique
Base faible = temps d'équilibre long = thermodynamique
Excès base = arrachement immédiat = cinétique
Excès cétone = arrachement partiel = équilibre = thermodynamique
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Alkylation en Alkylation en ααLa transformation consiste à remplacer, dans une cétone, un atome d’hydrogène porté par l’atome de carbone en α du groupe carbonyle par un groupe alkyle.
O
R1
R2
O
R1
R2
O
R1
R2
+
A
A
Régiosélectivité1) LDA2) A-Br
O
R1
R2
A
O
R1
R2
A
+
A
Polyalkylation
1) LDA2) A-Br
O
R1
R2Elimination
LDA
Compétition C/O1) LDA2) A-Br
O
R1
R2+O
R1
R2
A
A
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Alkylation en Alkylation en αα• Compétition entre C- et O-alkylation
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Réactions haloformesRéactions haloformesLa réaction entre une cétone et le dibrome dans l'acide acétique conduit à une cétone α bromée.
Il y a toujours polyhalogénation !
Milieu acide = atome de carbone
le plussubstitué
Milieu basique = atome de carbonele moinssubstitué
O
H
O
H
H
rapide
H2OOH
lente
H3O+
Br-Br
OBr
-HBr
O
H
O
rapide
OH
lente
OH- H2O
Br-Br
O
-HBr
Br
O
Br
BrBr
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Réaction haloforme = cas particulier
Réactions haloformesRéactions haloformes
On forme un haloforme...Et un acide carboxylique
Cette reaction est utilisée comme test caracteristique des cétones méthylées.Si le precipite apparaît, le test est positif, la solution testée contient une cétone méthylée.
O
H
O
rapide
OH
lente
OH- H2O
I-I
O
-HI
I
O
I
IIOH-O
O+CHI3iodoforme
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Transposition de FavorskiiTransposition de Favorskii
Lorsqu'on traite une α-halogénocétone par une base forte, on observe une transposition du squelette carboné .
Mécanisme :
Donc attention à La force de la
Base !
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Partie 3 : La rencontre α-sitePartie 3 : La rencontre α-site
Bonjour, je suis l'énol Bonjour, je suis le carbonyle
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AldolisationAldolisationCaractéristiques généralesL'aldolisation est une réaction d'addition entre deux aldéhydes. Elle conduit à un aldol (aldéhyde et alcool).
Le terme condensation aldolique est souvent utilisé
dans un sens générique, désignant à la fois l'aldolisation
et la cétolisation.
La réaction inverse qui correspond à la coupure d'un aldol s'appelle rétroaldolisation.
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Aldolisation / CrotonisationAldolisation / CrotonisationMécanismeMilieu basique
OR
HH
OH- OR
H
OR
H H
OR
OR
H2O H
OR
HOR
OH-
H
H
OR
R
Aldolisation
Crotonisation
Les H en alphadu carbonyle restent
acides, mêmesur l'aldol !
Milieu acide ?
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Cétolisation / CrotonisationCétolisation / CrotonisationElle conduit à un équilibre défavorable au produit appelé cétol. On peut préparer un cétol en utilisant un extracteur de Soxhlet. Cela permet de déplacer l'équilibre.
A : Base solide dans la capsule en celluloseE : Le réactif, volatile, s'évapore et se recondense. Il tombe dans A et réagit.F : Le produit est siphonné et retombe dans le bouilleur C.
Vidéo
OR
R'H
OH- OR
R'
OR
R' R'
OR
OR
H2O R'
OR
HOR
OH-
H
R'
OR
R
R' R'
R'
Cétolisation
Crotonisation
http://www.chem-ilp.net/labTechniques/SoxhletExtractionVideo.htm
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Aldolisation croiséeAldolisation croisée
L'aldolisation croisée met en jeu un aldéhyde et une cétone. Elle conduit à un bilan simple lorsque l'un des composés n'est pas énolisable car il n'y a pas d'ambiguité sur le produit final.
Règle de Wittig : Si l'aldéhyde est ajouté goutte à goutte dans le mélange réactionnel contenant la cétone et la base, l'énolate dérivé de la cétone qui est le plus nucléophile, réagit de façon prépondérante avec l'aldéhyde le plus électrophile
Cf diapo 5!
L'aldolisation croisée est susceptible de donner a priori un mélange complexe de produits d'addition lorsque les deux sont énolisables.
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DiastéréosélectivitéDiastéréosélectivitéComme il existe deux configurations pour l'énolate (cis et trans) et que le composé carbonylé comporte deux faces, cela conduit dans le cas général à la formation de deux centres chiraux.
à partir d'un énolate Z on obtient le couple
d'aldols syn
à partir d'un énolate E on obtient le couple
d'aldols anti
R1
O RCHO
R1
O
RCH3
OH
R1
O
RCH3
OH
R1
ORCHO
R1
O
RCH3
OH
R1
O
RCH3
OH
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DiastéréosélectivitéDiastéréosélectivitéModèle d'état de transition de Zimmerman-TraxlerEnolate Z.
O
MO
R2H
CH3R1
H
O
MO
R2R1
CH3H
H
O
MO
R2H
CH3R1
HM
O
O
R2
H
CH3
H
R1
OM
CH3R2
H
O
R1
+
Deux états de transition diastéréoisomères sont possibles mais non équiprobables.
R2
O
R1CH3
OH
R2
O
R1CH3
OH
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DiastéréosélectivitéDiastéréosélectivitéQuand forme-t-on les énolates Z et E?
R1
O RCHO
R1
O
RCH3
OH
R1
O
RCH3
OH
R1
ORCHO
R1
O
RCH3
OH
R1
O
RCH3
OH
base peu encombrée et gros groupe R
base très encombrée et petit groupe R
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Exercices récapitulatifs du chapitre 6Exercices récapitulatifs du chapitre 6Partiel du 06/01/2012
Un réarrangement bien particulier découvert par un chimiste allemand en 1886 permet de passer d’une cétone à un amide facilement selon :
O
N (Majoritaire)+O (minoritaire)
M H2SO4 (conc.)
NH
O
1) Quel est le nom de cette réaction 2) Trouvez M, N, O et dites dans quel milieu nous devons nous trouver lors de la première étape
(justifiez).
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Exercices récapitulatifs du chapitre 6Exercices récapitulatifs du chapitre 6Partiel du 06/01/2012
Une aldolisation croisée a lieu entre ces deux réactifs pour ne donner qu’un seul produit final après crotonisation:
O
+
O
NaOHaqP
Donnez le produit P et expliquez pourquoi il est le seul à être formé.
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Exercices récapitulatifs du chapitreExercices récapitulatifs du chapitrePartiel du 03/05/2011
Expliquez sur cet exemple comment se construit le modèle de Felkin-Ahn. Trouvez G et H et expliquez.
O
a) Nu-
b) H2OG (MAJ) + H (min)(R)
Diapo 1Diapo 2Diapo 3Diapo 4Diapo 5Diapo 6Diapo 7Diapo 8Diapo 9Diapo 10Diapo 11Diapo 12Diapo 13Diapo 14Diapo 15Diapo 16Diapo 17Diapo 18Diapo 19Diapo 20Diapo 21Diapo 22Diapo 23Diapo 24Diapo 25Diapo 26Diapo 27Diapo 28Diapo 29Diapo 30Diapo 31Diapo 32Diapo 33Diapo 34Diapo 35Diapo 36Diapo 37Diapo 38Diapo 39Diapo 40Diapo 41Diapo 42Diapo 43Diapo 44Diapo 45Diapo 46Diapo 47Diapo 48Diapo 49Diapo 50Diapo 51Diapo 52Diapo 53Diapo 54Diapo 55Diapo 56Diapo 57