Chimie universitaire — 2e année · Bachelor Year 2
21Oxydation et réduction des alcènes
Une colle époxy bicomposant se présente en deux tubes : l’un contient des molécules terminées par des cycles époxyde, cycles à trois atomes formés de deux carbones et d’un oxygène ; l’autre une amine. Après mélange, les cycles tendus s’ouvrent les uns après les autres et la pâte durcit en un réseau rigide. Les alcènes sont la matière première de ces cycles, d’alcools placés là où la règle de Markovnikov ne les mettrait jamais, de diols de géométrie choisie, et des petits fragments qui indiquaient autrefois aux chimistes la position d’une double liaison dans une molécule. Ce chapitre ajoute aux additions électrophiles du volume de première année les réactions qui réduisent ou oxydent la double liaison, et la stéréochimie que chacune impose.
Rappel
Le volume de première année : additions électrophiles, règle de Markovnikov, ions halogénonium, additions syn et anti, hydratation des alcènes, nombres d’oxydation du carbone, donneurs d’hydrure, chimiosélectivité, composés méso et mélanges racémiques, réactions stéréospécifiques. Chapitre 20 : le cycle d’hydrogénation du catalyseur de Wilkinson.
21.1 Hydrogénation catalytique
Définition 21.1 (Hydrogénation catalytique)
Une hydrogénation catalytique additionne le dihydrogène sur une liaison multiple en présence d’un catalyseur : un métal finement divisé (palladium sur charbon, platine, nickel) en catalyse hétérogène, ou un complexe soluble comme celui de Wilkinson en catalyse homogène.
Sur une surface métallique, le dihydrogène et l’alcène sont tous deux retenus, la liaison est rompue en atomes d’hydrogène de surface, et ceux-ci sont transférés l’un après l’autre aux atomes de carbone de l’alcène, couché à plat sur le métal.
Proposition 21.2 (Addition syn)
L’hydrogénation catalytique apporte les deux atomes d’hydrogène sur la même face de la double liaison. Un alcyne hydrogéné sur un catalyseur au palladium empoisonné s’arrête à l’alcène, qui est l’isomère (Z).
Argument. L’alcène est lié au catalyseur par une de ses faces, et les deux hydrogènes viennent du catalyseur, donc de cette face : addition syn. Avec un alcyne, les deux hydrogènes ajoutés sur la triple liaison sont du même côté, en cis l’un par rapport à l’autre : l’alcène (Z). Un catalyseur partiellement désactivé (palladium sur carbonate de calcium avec un sel de plomb et de la quinoléine) fixe l’alcyne bien plus fortement que l’alcène formé, qui quitte la surface avant une seconde addition. ∎
21.2 Hydroboration–oxydation
Définition 21.3 (Hydroboration)
Une hydroboration additionne une liaison B–H d’un borane sur une liaison ; suivie d’une oxydation par le peroxyde d’hydrogène en milieu basique, elle transforme l’alcène en un alcool dont le groupe hydroxyle se trouve sur le carbone le moins substitué : une orientation anti-Markovnikov.
Proposition 21.4 (Orientation de l’hydroboration)
Le bore se fixe sur le carbone le moins substitué de la double liaison, et l’hydrogène sur le plus substitué ; l’addition est syn.
Argument. Le bore, qui possède une orbitale p vide, est l’électrophile : dans l’état de transition à quatre centres (les deux carbones, le bore et l’hydrogène), la liaison au bore se forme un peu avant la liaison C–H, et une charge partielle positive apparaît sur l’autre carbone, mieux portée par le plus substitué ; le groupe boré, encombrant, préfère aussi l’extrémité la moins encombrée. Les deux nouvelles liaisons se forment sur une même face, en une étape concertée : syn. ∎
Proposition 21.5 (Oxydation avec rétention)
L’oxydation d’un alkylborane par le peroxyde d’hydrogène en milieu basique remplace chaque liaison C–B par une liaison C–OH avec rétention de configuration du carbone.
Argument. L’anion hydroperoxyde s’additionne sur le bore ; un groupe alkyle migre ensuite du bore vers l’oxygène voisin, avec son doublet d’électrons, tandis que l’hydroxyde part ; le carbone garde ses liaisons du même côté tout au long. L’hydrolyse de la liaison B–O libère l’alcool. ∎
21.3 Époxydes
Définition 21.6 (Époxyde)
Un époxyde (oxirane) est un éther cyclique dont le cycle à trois atomes comporte deux carbones et un oxygène. Une époxydation transforme un alcène en époxyde, le plus souvent au moyen d’un peroxyacide , qui transfère un atome d’oxygène à la double liaison.
Proposition 21.7 (Époxydation stéréospécifique)
L’époxydation par un peroxyacide est stéréospécifique : un alcène (Z) donne l’époxyde cis, un alcène (E) l’époxyde trans.
Démonstration. L’oxygène est transféré en une seule étape concertée sur une face de la double liaison, qui ne tourne pas entre-temps : les positions relatives des substituants sont conservées. ∎
Proposition 21.8 (Ouverture des époxydes)
Un nucléophile ouvre un époxyde en attaquant un carbone par la face opposée à l’oxygène (ouverture anti, avec inversion de ce carbone). En milieu basique, il attaque le carbone le moins encombré ; en milieu acide, le plus substitué.
Argument. La tension du cycle rend les liaisons C–O faciles à rompre. Avec un nucléophile fort et sans acide, l’ouverture est une substitution bimoléculaire, et le carbone le moins encombré est le plus facile à atteindre. En milieu acide, l’oxygène est protoné ; la liaison C–O vers le carbone le plus substitué s’allonge le plus, ce carbone portant la plus grande charge partielle positive, et même un nucléophile faible (l’eau, un alcool) attaque là — toujours par l’arrière, donc toujours en anti. ∎
21.4 Dihydroxylation
Définition 21.9 (Dihydroxylation)
Une dihydroxylation transforme un alcène en un diol-1,2 en ajoutant un groupe sur chaque carbone de la double liaison.
Le tétraoxyde d’osmium, en quantité catalytique avec un réoxydant, et le permanganate dilué à froid apportent les deux oxygènes par l’intermédiaire d’un ester cyclique, sur une même face : une dihydroxylation syn. Une époxydation suivie d’une ouverture par l’eau en milieu acide donne le diol anti.
Proposition 21.10 (Diols syn et anti)
À partir du (Z)-but-2-ène, la dihydroxylation syn donne le méso-butane-2,3-diol et la voie de l’époxyde donne le mélange racémique des diols (2R,3R) et (2S,3S) ; à partir du (E)-but-2-ène, les résultats sont échangés.
Démonstration. Dans le (Z)-but-2-ène, les deux méthyles sont du même côté. Ajouter deux sur une même face donne un diol dans lequel, écrit dans la conformation éclipsée de l’ancienne double liaison, les deux sont d’un côté et les deux méthyles de l’autre : un plan miroir passe entre C2 et C3, c’est le composé méso. La voie de l’époxyde place les deux sur des faces opposées (anti) : le plan miroir disparaît, et l’attaque sur l’un ou l’autre carbone de l’époxyde achiral, également probable, donne les deux énantiomères en quantités égales. Pour l’alcène (E), chaque étape inverse la relation entre les méthyles, ce qui échange les résultats. ∎
21.5 Coupure oxydante
Définition 21.11 (Coupure oxydante)
Une coupure oxydante rompt les deux liaisons d’une double liaison et transforme chaque carbone en groupe carbonyle ou carboxyle. Dans une ozonolyse, l’alcène réagit avec l’ozone et l’ozonide intermédiaire est décomposé lors d’une seconde étape, le traitement.
Proposition 21.12 (Produits de l’ozonolyse)
L’ozonolyse scinde chaque liaison en deux groupes . Avec un traitement réducteur (zinc et acide, ou sulfure de diméthyle), un carbone porteur d’un hydrogène donne un aldéhyde ; avec un traitement oxydant (peroxyde d’hydrogène), il donne un acide carboxylique. Un carbone porteur de deux groupes carbonés donne une cétone dans les deux cas.
Argument. L’ozone s’additionne sur la double liaison, l’intermédiaire se réarrange et la liaison C–C se rompt, ce qui donne un ozonide dans lequel chaque ancien carbone de l’alcène est lié à deux oxygènes. Le traitement le réduit en deux composés carbonylés, ou oxyde davantage les aldéhydes. Les étapes intermédiaires sont admises. ∎
Méthode 21.13 (Localiser une double liaison)
- Dresser la liste des fragments carbonylés de l’ozonolyse et compter leurs carbones ; leur somme doit égaler celle de l’alcène.
- Chaque carbone de était un carbone doublement lié : relier les fragments en remplaçant deux par une .
- Pour un cycle, il sort une seule molécule à deux groupes carbonyle ; relier ses deux extrémités.
- Vérifier avec la formule brute et le nombre d’insaturations.
Le permanganate concentré à chaud coupe aussi les doubles liaisons, en donnant des acides et des cétones ; le periodate de sodium coupe les diols-1,2 en deux composés carbonylés, voie plus douce passant par le diol.
Méthode 21.14 (Choisir un réactif pour un alcène)
| cible | réactif | stéréochimie, orientation |
|---|---|---|
| alcane | , Pd/C | syn |
| alcool de Markovnikov | , acide | via un carbocation |
| alcool anti-Markovnikov | , puis , | syn |
| époxyde | peroxyacide | stéréospécifique |
| diol syn | (cat.) ou à froid | syn |
| diol anti | peroxyacide, puis , acide | anti |
| deux carbonyles | , puis /acide | coupure |
Sécurité
Le tétraoxyde d’osmium est volatil et très toxique (il attaque les yeux) ; on l’utilise en quantité catalytique, en solution, sous hotte. Les peroxyacides et le peroxyde d’hydrogène sont des oxydants qui peuvent se décomposer violemment s’ils sont chauffés ou concentrés ; les solutions de borane sont inflammables ; l’ozone est toxique et produit sous hotte.
21.6 Exercices
Exercice 21.1 ★
Donner le produit formé par le 1-méthylcyclohexène avec : /Pd ; / ; puis / ; un peroxyacide ; (cat.) ; puis /.
Solution
Solution de Exercice 21.1.
Méthylcyclohexane ; 1-méthylcyclohexan-1-ol ; trans-2-méthylcyclohexan-1-ol (addition syn de H et de B, donc le et le nouvel H du même côté, le méthyle en trans du ) ; oxyde de 1-méthylcyclohexène (époxyde) ; cis-1-méthylcyclohexane-1,2-diol ; 6-oxoheptanal .
Exercice 21.2 ★
Quel alcool l’hydroboration–oxydation donne-t-elle à partir du 2-méthylpropène ? Et l’hydratation en milieu acide ?
Solution
Solution de Exercice 21.2.
Hydroboration–oxydation : 2-méthylpropan-1-ol. Hydratation en milieu acide : 2-méthylpropan-2-ol.
Exercice 21.3 ★
Représenter l’époxyde formé à partir du (E)-but-2-ène. Est-il chiral ?
Solution
Solution de Exercice 21.3.
trans-2,3-Diméthyloxirane, les deux méthyles de part et d’autre du cycle. Il est chiral (pas de plan miroir) et se forme sous forme de mélange racémique.
Exercice 21.4 ★
Donner les produits de l’ozonolyse de l’hex-3-ène avec un traitement réducteur, puis avec un traitement oxydant.
Solution
Solution de Exercice 21.4.
Traitement réducteur : deux molécules de propanal. Traitement oxydant : deux molécules d’acide propanoïque.
Exercice 21.5 ★★
Donner les diols formés à partir du (Z)-but-2-ène (a) avec ; (b) avec un peroxyacide puis un acide aqueux. Lequel est optiquement inactif parce qu’il est méso, et lequel parce qu’il est racémique ?
Solution
Solution de Exercice 21.5.
(a) méso-butane-2,3-diol, inactif parce qu’il est achiral. (b) les diols (2R,3R) et (2S,3S) en quantités égales, inactifs parce que racémiques.
Exercice 21.6 ★★
Le 2,2-diméthyloxirane est ouvert par l’eau en milieu acide et par l’hydroxyde. Les deux voies donnent-elles le même produit ? Expliquer.
Solution
Solution de Exercice 21.6.
En milieu acide, l’eau attaque le carbone tertiaire ; en milieu basique, l’hydroxyde attaque le ; dans les deux cas, un se retrouve sur chaque carbone : le même 2-méthylpropane-1,2-diol. Avec le méthanol, les deux voies donnent des éthers différents (comme dans le chapitre).
Exercice 21.7 ★★
Comment préparer le (Z)-hex-3-ène à partir de l’hex-3-yne ?
Solution
Solution de Exercice 21.7.
Hydrogénation par un équivalent de sur un catalyseur au palladium empoisonné (Lindlar) : l’addition syn sur la triple liaison s’arrête à l’alcène (Z).
Exercice 21.8 ★★
Un alcène donne, par ozonolyse avec un traitement réducteur, de la propanone et du butanal. Donner sa structure.
Solution
Solution de Exercice 21.8.
La propanone (3 C) et le butanal (4 C) se relient par leurs carbones carbonyles : c’est le 2-méthylhex-2-ène, .
Exercice 21.9 ★★
Proposer une synthèse de l’hexan-1-ol à partir de l’hex-1-ène, et dire pourquoi l’hydratation en milieu acide échouerait.
Solution
Solution de Exercice 21.9.
(ou un borane encombré), puis et : hexan-1-ol. L’hydratation en milieu acide passe par le carbocation secondaire et donne l’hexan-2-ol (Markovnikov), avec des sous-produits de réarrangement.
Exercice 21.10 ★★★
Le limonène possède une double liaison cyclique trisubstituée et une double liaison exocyclique disubstituée (). Laquelle réagit la première avec un équivalent de peroxyacide, et laquelle avec un équivalent d’un borane encombré ? Expliquer.
Solution
Solution de Exercice 21.10.
Le peroxyacide, électrophile, réagit plus vite avec la double liaison cyclique, plus substituée et plus riche en électrons. Le borane encombré réagit avec le terminal, moins encombré.
Exercice 21.11 ★★★
Préparer le trans-cyclohexane-1,2-diol à partir du cyclohexène, puis le cis-cyclohexane-1,2-diol.
Solution
Solution de Exercice 21.11.
trans : peroxyacide, puis eau en milieu acide (ouverture anti). cis : catalytique avec un réoxydant, ou permanganate dilué à froid (syn).
Exercice 21.12 ★★★
Un composé absorbe un équivalent de . Son ozonolyse avec un traitement réducteur donne un seul produit, l’hexanedial . L’identifier.
Solution
Solution de Exercice 21.12.
possède deux insaturations ; un équivalent de signifie une , donc un cycle. Un seul dialdéhyde à six carbones provient d’un cycle ouvert au niveau de sa double liaison : le cyclohexène.
21.7 Problème : identification d’un terpène
Problème 21.1
Problème du week-end — formule et insaturation du limonène, son hydrogénation, les fragments de son ozonolyse, et les réactions sélectives de ses deux doubles liaisons
Le limonène, l’odeur de l’écorce d’orange, a pour formule . C’est le 1-méthyl-4-(prop-1-én-2-yl)cyclohex-1-ène : une double liaison cyclique portant un méthyle, et un groupe exocyclique sur le carbone opposé du cycle. ; masses molaires () : C 12.011, H 1.008.
Partie I — Formule et hydrogénation.
- Calculer la masse molaire du limonène.
- Calculer son nombre d’insaturations.
- Combien possède-t-il de cycles et de doubles liaisons ?
- Écrire son hydrogénation sur palladium, produit compris.
- Calculer la quantité de dihydrogène absorbée par de limonène.
- Calculer son volume à et .
- Le produit est-il chiral ?
Partie II — Ozonolyse.
- Quels fragments l’ozonolyse avec un traitement réducteur donne-t-elle ? (Compter les carbones.)
- Pourquoi la double liaison cyclique donne-t-elle une seule molécule et non deux ?
- Quel fragment est perdu sous forme de gaz ou de liquide volatil ?
- En quoi les produits différeraient-ils avec un traitement oxydant ?
- Montrer comment les fragments localisent les deux doubles liaisons.
- Combien le limonène a-t-il de stéréocentres, et l’ozonolyse le conserve-t-elle ?
Partie III — Hydroboration.
- Avec un équivalent d’un borane encombré, quelle double liaison réagit ? Pourquoi ?
- Représenter le produit après oxydation.
- Le nouvel alcool est-il primaire, secondaire ou tertiaire ?
- Pourquoi l’orientation est-elle dite anti-Markovnikov ?
- Combien de stéréoisomères peuvent se former au nouveau stéréocentre ?
- Quel réactif placerait au contraire le sur le carbone le plus substitué de la même double liaison ?
Partie IV — Époxydation.
- Avec un équivalent de peroxyacide, quelle double liaison réagit ? Pourquoi ?
- Représenter l’époxyde.
- L’ouvrir par l’eau en milieu acide : sur quel carbone l’eau attaque-t-elle ?
- Représenter le diol et donner l’orientation relative de ses deux .
- Comment obtenir l’autre diastéréoisomère de ce diol ?
- Donner le volume de dihydrogène absorbé par de limonène à et .
Solution
Solution de Problème 21.1.
1. . 2. . 3. Un cycle et deux doubles liaisons. 4. , le 1-isopropyl-4-méthylcyclohexane. 5. de limonène, de . 6. , . 7. Non : les carbones 1 et 4 du cycle portent chacun deux chemins de cycle identiques ; les isomères cis et trans sont achiraux. 8. Le méthanal (1 C), issu de l’extrémité , et un seul composé en , le 3-acétyl-6-oxoheptanal . 9. Ses deux carbones appartiennent au même cycle : rompre la double liaison ouvre le cycle sans rien séparer. 10. Le méthanal (un gaz). 11. Les groupes aldéhyde deviennent des acides carboxyliques (le méthanal va jusqu’à ) ; les cétones restent inchangées. 12. La cétone et l’aldéhyde de la chaîne en étaient reliés dans le cycle ; la seconde cétone () et le méthanal étaient les deux extrémités de la double liaison de la chaîne latérale. 13. Un seul (le C4 du cycle) ; l’ozonolyse ne le touche pas, et il subsiste comme stéréocentre du produit en . 14. Le exocyclique, moins encombré que la double liaison cyclique trisubstituée. 15. Le 2-(4-méthylcyclohex-3-én-1-yl)propan-1-ol : le sur l’ancien carbone terminal. 16. Primaire. 17. Le se place sur le carbone le moins substitué, à l’opposé de l’orientation prévue par la règle de Markovnikov pour l’hydratation. 18. Deux configurations au nouveau centre, ce qui donne deux diastéréoisomères (avec le centre déjà présent). 19. L’hydratation en milieu acide (ou une autre hydratation de Markovnikov) : l’alcool tertiaire, l’-terpinéol. 20. La double liaison cyclique : trisubstituée, plus riche en électrons. 21. Le 1,2-époxy-1-méthyl-4-(prop-1-én-2-yl)cyclohexane, l’oxygène pontant C1 et C2. 22. Sur C1, le carbone le plus substitué (celui qui porte le méthyle). 23. Le 1-méthyl-4-(prop-1-én-2-yl)cyclohexane-1,2-diol, les deux en trans (ouverture anti). 24. Une dihydroxylation syn de la double liaison cyclique ( catalytique), qui donne le diol cis — à condition de pouvoir faire réagir le réactif sélectivement avec cette double liaison. 25. de limonène absorbe de dihydrogène.