Synthèse de la muscone

Samedi 29 mars 2008 DS n 6 Chimie rganique Durée : 4 heures Instructions générales : Les candidats doivent vérifier que le sujet comprend 8 pages. Les candidats sont invités à porter une attention toute particulière à la qualité des justifications, de la rédaction et de l orthographe. Si, au cours de l épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des initiatives qu il est amené à prendre. L usage d une calculatrice n est pas autorisé pour cette épreuve. Les exercices sont indépendants. Ils peuvent être traités dans l'ordre choisi par le candidat. Exercice 1 [7.25 points] (D après le concours commun des Ecoles Normales Supérieures 2007, Filière PC.) Synthèse de la muscone La muscone est présente dans quelques plantes comme les racines de l'angélique et les graines d'ambrette. Mais le musc est la sécrétion odorante d'une glande abdominale du chevrotin porte-musc qui vit dans les montagnes d'asie et qui sécrète cette molécule pendant les périodes de rut. Ce composé est utilisé pour obtenir une note animale, sensuelle, qui donne de l'ampleur aux parfums. Des composés de synthèse possédant la même odeur ont vu le jour. H CH 3 H 1. Le (+)-citronellal est une substance naturelle dont la formule chimique est : 1.1. Expliquer la signification du (+) dans le (+)-citronellal. 1.2. Cette molécule est-elle chirale? Justifier votre réponse. 1 H 3 C CH 3 1.3. Indiquer éventuellement l (es) atome(s) de carbone asymétrique et sa (leur) configuration absolue. 1.4. Donner le nom en nomenclature systématique du (+)-citronellal. En présence d éthane-1,2-diol en milieu anhydre et d acide paratoluènesulfonique (APTS) en quantité catalytique, le (+)-citronellal conduit à 2 dont on ne cherchera pas à expliquer la formation ici. H CH 3 2 H 3 C CH 3 2. La molécule 2 en présence d ozone conduit à 3 après une hydrolyse oxydante. 2.1. Dessiner la formule de 3. 2.2. Quel sous-produit obtient-on? 1

3. La molécule 3 en présence de diazométhane (molécule linéaire de formule CH 2 N 2 ) dans le dichlorométhane donne 4. 3.1. Représenter les différentes formules mésomères du diazométhane. Indiquer celle qui représente le plus la réactivité du diazométhane. 3.2. Sachant que la première étape est une réaction acido-basique entre l acide carboxylique et le diazométhane et que la seconde est une S N 2, proposer un mécanisme pour la transformation 3 4. 3.3. Dessiner la formule de 4. H CH 3 4. La molécule 4 subit une hydrolyse ménagée (seule la fonction acétal formée dans l étape 1 2 est hydrolysée) en milieu acide et conduit à 5 : Ce dernier est oxydé en 6 qui est traité par le chlorure de thionyle pour obtenir 7. 5 4.1. Dessiner les formules de 6 et 7. (Indication : le chlorure de thionyle agit de la même manière sur le groupe H d une fonction acide carboxylique que sur celui d une fonction alcool.) Quel est le nom de la fonction obtenue dans 7? 4.2. Écrire l équation chimique associée à la transformation 6 7. 4.3. Cette réaction 6 7 est-elle totale ou équilibrée? Justifier votre réponse. 5. L alcool oléïque 8 est le (Z)-octadéc-9-én-1-ol, de formule brute C 18 H 36. En présence de tribromure de phosphore, 8 conduit à 9 qui est alors soumis à l action du magnésium dans le diéthyléther anhydre pour donner 10. 5.1. Dessiner les formules de 8, 9 et 10. 5.2. Citer deux moyens différents pour faire démarrer la réaction de synthèse magnésienne si cela est nécessaire. 6. 10 est ensuite traité par le chlorure de cadmium (CdCl 2 ) pour donner 11 qui réagit avec 7 pour conduire à 12. La transformation 10 11 est une réaction de transmétallation (échange de métal : ici on échange le magnésium contre le cadmium selon 2RMgX+CdCl 2 = CdR 2 + MgX 2 + MgCl 2 ). 6.1. Ecrire la formule de 11. 6.2. La liaison C-Cd ayant un caractère plus covalent que la liaison C-Mg, que peut-on en déduire sur la réactivité des organocadmiens par rapport à celle des organomagnésiens mixtes? 2

6.3. Dessiner la formule de 12 sachant qu un seul équivalent d organocadmien s additionne sur 7 et que le produit obtenu a pour formule brute C 26 H 48 3. n justifiera la chimiosélectivité. 7. L ozonolyse de 12 suivie d une hydrolyse en milieu réducteur conduit à 13, qui contient 17 atomes de carbone. 13 est ensuite oxydé en 14 qui réagit avec le méthanol en milieu acide pour donner 15. 7.1. Dessiner les formules de 13, 14 et 15. 7.2. Donner un agent réducteur couramment utilisé lors des ozonolyses réductrices. 8. Une cyclisation de diesters terminaux a été mise au point en 1926 par Bouveault et Locquin (cf. figure 6). C 2 CH 3 Na / xylène Na H 2 C 2 CH 3 Na H Figure 6 : Cyclisation de diesters terminaux selon Bouveault et Locquin. La molécule 15 est ensuite mise en présence d éthane-1,2-diol en milieu acide. Le produit 16 H 3 CC H 3 CC ainsi obtenu : 16 Locquin pour donner 17. 8.1. Dessiner la formule de 17. est alors soumis à la méthode de Bouveault et 8.2. btient-on une espèce unique ou un mélange d espèces pour la transformation 16 17? Justifier votre réponse. 8.3. La cyclisation de Bouveault et Locquin doit-elle être effectuée en milieu dilué ou concentré ici? Justifier votre réponse. 9. n réduit 17 dans le tétrahydrofuranne anhydre avec du tétrahydruroaluminate de lithium. Après hydrolyse, 18 est obtenu. 9.1. Dessiner la formule du tétrahydruroaluminate de lithium 9.2. Dessiner la formule de 18. 9.3. A votre avis, aurait-on pu utiliser de l éthanol comme solvant? Justifier votre réponse. 3

10. 19 (C 16 H 28 Br 2 ) est obtenu par l action du bromure d hydrogène en excès dans l acide acétique sur 18. Le traitement de 19 par le zinc dans le méthanol par une réaction d élimination de ZnBr 2 conduit à 20 (C 16 H 28 ) : 20 10.1. Dessiner la formule de 19. 10.2. Quelle dernière réaction permet de passer de 20 à la (-)- muscone? Exercice 2 [6.25 points] (D après le concours commun Mines Ponts 1998, Filière PC.) Synthèse du terpinéol 4

Pas de question 8, 9 et 10. (Une décarboxylation est une réaction au cours de laquelle la molécule de départ perd une molécule de C 2.) Quelle est le nom de la transformation subie par les fonctions ester dans la première partie de cette étape? 16. Le composé F chauffé en présence d anhydride éthanoïque donne G : 5

Equilibrer le bilan de cette réaction sachant que F perd un carbone sous forme de dioxyde de carbone et que l anhydride éthanoïque s hydrate... Pas de question 17. Quel est la nature du gaz formé? Ecrire les mécanismes des deux réactions se produisant (réaction désirée et réaction parasite). 19. Donner la formule du produit H obtenue après hydrolyse acide. 20. H est chauffé à reflux en milieu aqueux acide. n obtient trois produits isomères : I (molécule bicyclique majoritaire), J (monocyclique, minoritaire par rapport à I) et K (monocyclique et produit en très faible quantité par rapport à J). Identifier I. Comment s appelle la réaction conduisant à sa formation? 21. Identifier J et K. Comment s appelle la réaction conduisant à leur formation? Ecrire son mécanisme et la formule topologique des produits. Pourquoi K est-il minoritaire? Pas de question 22. 23. L action de l éthanol en présence de traces d acide fort sur J donne L. Ecrire sa formule topologique. Pas de question 24. Exercice 3 [5 points] (D après le concours commun des écoles des mines d Albi, Alès, Douai et Nantes 2005, Filière PC.) Synthèse de la (S)-fenfluramine CF 3 HNEt Et = C 2 H 5 (1) La fenfluramine est une molécule active utilisée lors de traitement contre l obésité car elle empêche la digestion des sucres. Mais seul le stéréoisomère (1) possède ces propriétés. Nous allons étudier une possibilité de synthèse de cette molécule. 6

1. Etude de la molécule de fenfluramine : 1. L atome d azote peut-il être un centre de chiralité? Cette molécule est-elle chirale? Préciser la configuration absolue du ou des centres chiraux. 2. La (S)-fenfluramine est dextrogyre, expliquer brièvement ce que cela signifie. Existet-il une relation entre ce renseignement et le fait que le descripteur stéréochimique du centre d asymétrie soit S? Si nous envisageons une synthèse non stéréosélective, nous obtenons un mélange racémique de (S) fenfluramine et de (R) fenfluramine. Nous avons à notre disposition un stéréoisomère de l acide lactique : des solutions concentrées d acide chlorhydrique et de soude. H H H CH 3 ainsi que 3. Donner la configuration absolue du carbone asymétrique de la molécule d acide lactique. 4. Lorsque l on fait réagir l acide lactique sur la fenfluramine quelle réaction observe-ton? En déduire une méthode expérimentale pour séparer du mélange racémique la (S) fenfluramine. 5. Qui le premier a réalisé la première séparation des énantiomères d un mélange racémique? 2. Synthèse de la fenfluramine : n réalise la séquence de réactions suivantes : CF 3 Solvant anhydre A Mg Br Solvant anhydre + A B hydrolyse en milieu acide CF 3 C C chauffage en milieu acide D HBr en l'absence de peroxydes C TsCl E NH 2 fenfluramine Br TsCl est le chlorure de Tosyle : S Cl 6. Justifier le type de solvant choisi pour la formation de A. Donner un exemple. Citer les précautions à prendre lors de cette synthèse. 7. Rappeler le mécanisme de l addition de HBr sur l exemple du propène, en l absence de peroxyde, justifier en particulier la régiosélectivité de la réaction. 7

8. Le passage de C à D se fait par un chauffage à reflux. Faire un schéma légendé du montage expérimental utilisé. Quel est l intérêt d un chauffage à reflux? 9. La molécule d époxypropane est-elle chirale? Donner la configuration absolue de son (ses) centre(s) de chiralité. 10. Donner le mécanisme de l action de A sur l époxypropane. Justifier la régiosélectivité de cette réaction, préciser la stéréochimie du produit C. 11. Représenter les formules topologiques de B, C, D, E. Pour étudier la dernière étape de la synthèse de la fenfluramine, on étudie la cinétique de la réaction suivante : Ts F + H 2 N éthanol 12. Quelle propriété de l éthylamine met-on en jeu lors de cette réaction? Déterminer G. 13. n constate expérimentalement que la vitesse de cette réaction possède un ordre 1 par rapport à l éthylamine et un ordre 1 par rapport à F. Proposer un mécanisme pour cette réaction. 14. La fenfluramine obtenue se présente-t-elle sous la forme d un mélange racémique? G Exercice 4 [1.5 points] Un binôme de PCSI maladroits, qu on ne nommera pas, tente de synthétiser le triphénylméthanol à partir de bromure de phénylmagnésium (synthétisé dans une première étape à partir de bromobenzène et de magnésium) et de benzoate d éthyle en TP de chimie. L analyse des produits organiques formés dans le milieu réactionnel révèle qu ils ont non seulement formé du triphénylméthanol, mais aussi : du benzène de l acide benzoïque du phénol de la diphénylcétone du phénylbenzène Expliquer la formation de chacun de ces cinq sous-produits susmentionnés. Quelles erreurs ont-ils pu commettre qui expliqueraient la présence de quantités anormales de certains sous-produits? Comment auraient-ils dû procéder pour limiter leur formation? D autre part, sont-ils responsables de la formation de tous ces sous-produits? Lorsque cela est possible, essayer de modérer les critiques par des arguments scientifiques. n évitera toute digression météorologique. Enfin, la présence d un de ces produits est surprenante. Dire lequel et expliquer pourquoi. (NB : Les mécanismes ne sont pas demandés.) 8