Cette page propose une liste non exhaustive des différentes fonctions que l'on peut rencontrer en chimie organique.
Bien sûr, une même molécule peut contenir plusieurs de ces fonctions. C'est là, tout l'intérêt de la chimie organique, puisqu'il faudra faire attention à toutes les fonctions présentes sur une molécule avant de faire une réaction.
La liste suivante ne s'intéressera donc qu'au groupement donnant le nom à la fonction, on ne tiendra pas compte ici du reste de la molécule. Dans certains cas (les terpènes) on donnera des exemples qui permettent de mieux illustrer cette famille.

 

Carbones, Hydrogènes

 

alcènes Z ou cis	alcènes E ou trans		alcynes disubstitués		Alcynes vrais
Allènes	Carbènes		Diènes		Squelette des stéroïdes
cyclohexane : forme chaise	cyclohexane : forme chaise inverse (par rapport à la précédente)		cyclohexane : forme bateau
naphtalène	anthracène		tétracène		phénanthrène
triphénylène	chrysène		pyrène		Benzo[a]pyrène

• Terpènes de formules générales  (C₅H₈)_nO_x : Il semble alors évident que les terpènes proviennent d’un précurseur à 5 carbones, le candidat de choix étant l’isoprène. La majorité des structures peuvent être dessiner en joignant ensemble 2, 3 ou 4 isoprène. Pourtant, ce n’est pas correct. L’isoprène n’est pas un intermédiaire pour la formation de ces terpènes. Le véritable précurseur est un acétate dont trois unités réagissent pour former l’acide mévalonique plus facilement isolable sous forme de lactone.

Limonène	Citronellol

 

 

Carbones, Hydrogènes, Oxygènes

 

Alcools primaires	Alcools secondaires	Alcools tertiaires	Aldéhydes
Cétones	Acides carboxyliques	Acétals	Hémiacétals
Énols	Éthers	Peracides	Peroxydes
Diols	Phénol	Alcools allyliques	alcools homoallyliques
Éthers d'énols	Aldols	Crotonaldéhydes	alcools propargyliques
Anhydrides d'acides	Esters	Lactones	Époxydes
Oxétanes	Esters glycidiques	Carbonates	Cétène
Orthoesters	Acétonide	Quinone

La différence qui existe entre les acétals et les acétonides est simple : Les acétals sont formé par réaction entre un carbonyle et un diol ce qui fournit un acétal. L’acétonide est un cas particulier puisqu’il est issu de la réaction entre un diol et l’acétone.

 

Carbones, Hydrogènes, Oxygènes, Azotes

 

Aminals	Oximes	Nitriles	Imines
Amines primaires	Amines secondaires	Amines tertiaires	Pyridine
Enamines	Ynamines	Hydrazones	Aminoacides
Aminoesters	Isocyanates	Nitrènes	Carbamates
Carbazates	Hydrazine	Oxaziridines	b-lactames
a-lactames	Amides	Groupe nitro	Lactames
Enamides	Cyanhydrines	Pyrimidine	Hydropyrimidine
Pyrazine	Pipérazine	Imidazolidine	Pyridazyne
Aziridines	Azétidines	Pyrrolidine	Pipéridines
Oxazole	Oxazoline	Oxazolidine	Oxazolidinone
Imidazole	Pyrrole	Acide carbamique	Urée
Imide	Acide hydroxymique	Triazole	Isooxazole

 

 

Carbones, Hydrogènes, Oxygènes, Azotes, Soufres, ...

 

Dérivés halogénés X={I, Br, Cl, F}	Organomagnésiens mixtes			Organomagnésiens symétriques	Chlorures d'acides Chlorures d’acyles
Thioacétals	Thiols			Thiones	Thioacides
Dithioacides	Thioamides			Isothiocyanates	Sulfone
Silènes	Silanones			Sililènes
Organolithiens	Organozincites			Organocuprates (le métal peut être Li ou MgX)	Alanes
Sulfoxydes				Sulfamides	Amidines
Sulfimides		Sulfoximines
Phosphines		Phosphonates		Phosphonium	Sélénides

 

 

Nomenclature

Cette toute petite partie est faite pour vous familiariser avec la nomenclature usuelle utilisée tous les jours, et pas toujours bien décrite.

• Nomenclature de divers groupements butyle

Le groupement butyle peut exister sous 4 formes :

R-nBu	R-tBu	R-iBu	R-sBu

Souvent on parle aussi du groupe néo-pentyle :

Nomenclature des positions voisines d'une fonction donnée : on regarde une fonction donnée, puis l'atome de carbone (ou un O, N, S, etc.) voisin est appelé position a, et ainsi de suite.

On regarde par rapport à la fonction nitrile	par rapport à la fonction carbonyle	Par rapport à la fonction alcène, on constate deux possibilités de numérotation	Dans ce cas on a deux fonctions, si on regarde par rapport à la fonction carbonyle, on a :

 

1. Formation des liaisons

Les réactions chimiques font intervenir la formation de nouvelles liaisons mais aussi la rupture de liaisons. A ce titre, on note deux types de rupture de liaison :

Rupture homolytique : Dans ce cas la liaison est rompue de façon à donner deux radicaux, c'est-à-dire deux espèces de même nature.	Rupture hétérolytique : Dans ce cas la liaison est rompue de façon à former un couple d'ion c'est-à-dire un anion et un cation, donc des espèces qui ne sont pas de même nature.

 

 

2. Hybridation

Une liaison chimique est donc un lien qui unit deux atomes entre eux, deux atomes d'oxygène, d'hydrogène, de carbone ou bien un atome d'oxygène et un atome de carbone, etc...

Deux atomes peuvent être liés entre eux par une ou plusieurs liaisons. C'est le cas notamment pour les atomes de carbone. Si deux atomes de carbone sont liés par deux liaisons on parle d'alcène, s'ils sont liés par trois liaisons on parle alors d'alcyne.

L'atome de carbone possède donc la propriété de se lier à quatre voisins et ceci grâce à son état d'hybridation, c'est-à-dire un état excité. La configuration électronique d'un atome de carbone est la suivante : 1s²2s²2p_x¹2p_y¹2p_z⁰. C'est alors qu'un des deux électrons de la couche 2s est promu dans l'orbitale 2p_z²2s¹2p_x¹2p_y¹2p_z¹. Les orbitales s et p n'étant pas équivalente en terme de stabilité, elles se combinent pour former 3 orbitales p et 1 s on parle alors d'hybridation dans l'état sp³. Ainsi dans le méthane CH₄, l'atome de carbone est hybridé sp³ donc les quatre liaisons C-H sont identiques. vacante de façon à obtenir l'état excité suivant : 1s

Cas du méthane, étude au niveau orbitalaire :

Sur le même principe, pour les doubles liaisons l'hybridation est de type sp², il y a alors 3 liaisons identiques sp² et une orbitale 2p non hybridée, cette orbitale forme ce que l'on appelle une liaison p, dans ce cas on a donc 3 liaisons s et 1 liaison p.

 Les alcynes sont quant à eux hybridés sp c'est-à-dire deux liaisons s et deux liaisons p.  

 

3. Tableau des énergies de liaisons

 

Liaison	Energie (kcal/mol)	Liaison	Energie (kcal/mol)	Liaison	Energie (kcal/mol)
C–C	83-85	C=C	146-151	CºC	199-200
C–O	85-91	C=O	173-181
C–N	69-75	C=N	181	CºN	204
C–H	96-99	O–H	110-111	N–H	93
S–H	82	C–S	61
C–Cl	79	C–Br	66	C–I	52
N–N	39	N=N	98	NºN	226
O-O	38	O=O	119
Si‑O	95	Si‑F	145.7
Ti‑O	100	Zr‑O	120	P‑O	142

Pour une revue, voir Can. J. Chem. 1960, 38, 2367 et Bull. Acad. Sci. USSR, Div. Chem. Sci. 1960, 149.

 

4. Acides et Bases de Lewis

4.1 Définitions

Base de Lewis : entité qui possède des paires libres d’électrons et qui peuvent les partager.
Acide de Lewis : entité qui possède une lacune électronique et qui cherche à combler cette lacune.

Certains acides de Lewis sont des composés très réactifs et donc peu stable, il devient donc nécessaire de les stabiliser à l’aide d’une base de Lewis. C’est le cas de l’éthérate de trifluorure de bore. Ce produit, commercialement disponible, est vendu sous forme d’un complexe qui le stabilise :

 

4.2 Force des acides de Lewis

Le classement suivant regroupe les acides de Lewis du plus fort au moins fort.

L'atome de carbone peut donc, lorsqu'il est hybridé sp³, se lier à 4 voisins. Lorsque ses quatre voisins sont différents on parle de carbone asymétrique, c'est-à-dire que ce carbone ne présente pas de plan de symétrie.

Carbone non asymétrique, ses quatre substituants ne sont pas différents.	Carbone asymétrique, ses quatre substituants sont différents.

 

1. Quelques définitions

• Chimiosélectivité : une réaction est dite chimiosélective si elle conduit à l'attaque d'un groupe fonctionnel parmi d'autres groupes. (Ex : hydrogénation chimiosélective de la double liaison carbone-carbone dans une énone). Cela revient à se poser la question "quel groupe fonctionnel va réagir?".

Exemple de réduction chimiosélective de la fonction acide carboxylique ou de la fonction ester.

• Régiosélectivité : une réaction est dite régiosélective lorsque l'on a réactivité d'une partie d'un groupe fonctionnel, qui possède plusieurs parties réactives. (Ex : addition en 1,2 ou en 1,4 sur une énone conjuguée, suivant la nature de l'organométallique). Cela revient à se poser la question "Ou cela va réagir?".

Exemple d'attaque nucléophile sur une cétone a,b-insaturée : attaque 1,2 vs. 1,4.

• Diastéréosélectivité : conduit à plusieurs diastéréoisomères, on en forme un de façon préférentielle. Des diastéréoisomères sont des composés qui ne sont pas superposables à leur image dans un mirroir.

Exemple d'alkylation diastéréosélective sur une copule chirale d'Evans

 Lorsqu'une molécule possède n carbones asymétriques, alors il existe 2ⁿ² = 4 diastéréoisomères pour cette molécule. diastéréoisomères possible pour cette molécule.Exemple d'une molécule possédant 2 carbones asymétriques, il y a alors 2

Bien souvent, les molécules optiquement active possèdent une activité biologique. Ainsi, un diastéréoisomère peu avoir une activité précise alors qu'un autre dia possèdera une toute autre activité. On devine alors aisément les problèmes rencontrés par les chimistes organiciens de synthèses qui doivent faire la synthèse de tous ces dias, surtout lorsque la molécule en question possède un très grand nombre de centres asymétrique.

Exemple de la (+)-plicamine : C'est une molécule qui contient 4 centres asymétriques, elle admet donc 2⁴ = 16 diastéréoisomères.

• Enantiosélectivité : c'est une réaction qui conduit à la formation d'un énantiomère plutôt qu'à l'autre.

Exemple de réduction énantiosélective de cétones en utilisant les oxazaborolidines de Corey

• Induction de chiralité : influence d'un centre stéréogène de configuration donnée sur la formation d'un autre centre.

• Chirale : qui n'est pas superposable à son image dans un miroir (c'est-à-dire toute molécule qui ne possède ni plan, ni centre de symétrie). Lorsque qu'une molécule possède un et un seul carbone asymétrique, elle est toujours chirale. En revanche, si elle possède plusieurs centres asymétriques, il faut alors vérifier que la molécule ne soit pas méso. Une molécule peut être chirale et optiquement inactive, se sont deux propriétés différentes. En effet, une molécule chirale peut exister sous forme d'un mélange racémique.
• Achiral : molécule dans laquelle il existe un ou plusieurs plans de symétrie, une molécule achirale est superposable à son image dans un miroir.
• Stéréoisomères : isomères qui diffèrent par la disposition spatiale des atomes.
• Mélange racémique : mélange contenant chacun des deux énantiomères d'une même molécule a raison de 50% pour l'énantiomère S et 50% pour l'énantiomère R.
• Dédoublement ou résolution racémique : séparation des deux énantiomères.

Une réaction stéréosélective est dite stéréospécifique, si sa stéréosélectivité est une conséquence directe du mécanisme, indépendamment d'autres contraintes possibles telles que les gênes stériques.

Ne pas confondre chiralité (propriété globale d'une molécule) et carbone asymétrique (propriété particulière d'un atome de la molécule) : la présence d'un carbone asymétrique n'est ni nécessaire, ni suffisante pour rendre la molécule chirale, ce dernier point est détaillé plus loin dans le cas des allènes et de l’atropoisomérisme.

1.1 Activité optique

1.1.a Définition

Une molécule contenant un carbone asymétrique, peut présenter une activité optique c'est-à-dire faire tourner la lumière polarisée. Pour observer cette déviation de la lumière polarisée, on utilise un polarimètre qui donne une mesure de l'angle de déviation de la lumière polarisée. Ensuite, on calcul [a]_D (c'est-à-dire le pouvoir rotatoire) par rapport à la concentration en substrat dans la cellule. La valeur [a]_D est caractéristique d'une molécule en fonction de la concentration, du solvant et de la température.

Une substance dite lévogyre fait tourner la lumière polarisée à gauche, alors qu'une substance dextrogyre fait tourner le plan de polarisation à droite.

[a]_D est aussi appelé pouvoir rotatoire spécifique. En règle générale on ne lui met pas d'unité. Néanmoins ce pouvoir rotatoire en possède une (°.dm^-1.g^-1.mL) issu de la relation suivante :

ATTENTION : Il n'existe pas de relation entre le signe de [a]_D et la configuration absolue d'un centre asymétrique. Les deux composés ci-dessous illustre ce point. En effet, ils possèdent tous les deux un et un seul centre asymétrique. De plus, dans les deux cas, se sont des centres de configuration S et, pourtant dans un des cas la valeur du pouvoir rotatoire est positive alors que dans l'autre elle est négative.

Dernier point, si une molécule chirale a une valeur [a]_D = + 2,1 alors son énantiomère à la valeur [a]_D = ‑2,1. Le mélange racémique a quant à lui une valeur [a]_D = 0,0.

1.1.b Polarimètre

 Toutes les molécules chirales ont une action sur la lumière polarisée, lorsqu'elle ne sont pas ou forme d'un mélange racémique. Cependant, il existe quelques cas rares pour lesquels une molécule énantiopure (c'est-à-dire qui existe sous forme d'un seul énantiomère) possède un [a]_D = 0. Dans ce cas, on étudie l'action de la lumière polarisée à d'autres longueurs d'ondes que celle de la raie D du sodium.

Dans le cas ci-dessus, la raie D du sodium donne [a]_D = 0 alors qu'en changeant de lampe et en prenant notamment une lampe au mercure, on observe une valeur de pouvoir rotatoire différente de 0.

1.2 Configuration absolue

Indépendamment de l'activité optique, pour chaque carbone asymétrique, on attribue une lettre R ou S qui donne la configuration du carbone. R vient de RectusS vient de Sinister qui signifie dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Pour établir la configuration absolue d'un carbone asymétrique, il faut utiliser les règles de Cahn-Ingold-Prelog. qui signifie dans le sens des aiguilles d'une montre,

Les règles de Cahn-Ingold-Prelog , nous disent qu'il faut numéroter les quatre substituants d'un carbone selon des règles de priorité : le substituant 1 est celui dont le numéro atomique est le plus important. Si deux substituants ont deux numéros atomiques identiques, alors on regarde les substituants liés à ces atomes et ainsi de suite. Attention pour établir les priorités, on s'arrête à la première différence rencontrée. Exemple : Si on à un groupe CH₃ et un groupe CH₂CH₃ alors le groupe 1 est le groupe CH₂CH₃.

Exemple de classement de quelques groupes (du plus prioritaire ou moins prioritaire) :

Les substituants sont ensuite placés de façon à ce que le substituant 4 soit en arrière du plan. Puis on regarde dans quel sens on tourne pour aller du substituant 1 au substituant 3. Si on tourne dans le sens des aiguilles d'une montre alors le carbone est R si on tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, alors le carbone est S.

Quelques exemples de détermination de configuration :

	Ici on regarde par dessous, et on constate que l'on tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, donc le centre est de configuration R.
	On fait la différence entre une triple et une double liaison en admettant que le carbone qui porte ces liaisons est lié respectivement à 3 carbones (pour la triple) et à 2 carbones (pour la double). La triple liaison est alors prioritaire sur le double.

1.3 Chiralité et symétrie

Si une molécule possède un centre de symétrie, elle n'est pas chirale, même si elle possède des centres asymétriques.

 Les énantiomères sont des composés image l'un de l'autre dans un miroir. Leurs propriétés physiques et chimiques sont identiques, à l'exception de leur action sur la lumière polarisée. Un des énantiomères va faire tourner la lumière dans un sens, alors que l'autre la fera tourner dans le sens inverse.

De même, les propriétés biologiques de deux énantiomères sont différentes. L'histoire suivante est vraie, et elle montre bien cette différence de propriétés.

 De 1959 à 1962, la thalidomide est administrée aux femmes enceintes pour réguler leurs nausées en début de grossesses. La thalidomide est une molécule chirale dont l'énantiomère S est un calmant doux, alors que l'énantiomère R n'a aucun effet comme calmant, mais est tératogène (qui conduit à des malformations sur le fœtus). Il semblerait que le médicament soit administré sous forme d'un mélange racémique et à cette époque on ne connaît pas les effets secondaires irréversibles de ce tranquillisant. Les premiers cas de malformation apparaissent en 1962 en Allemagne puis en Grande-Bretagne. Il a fallu beaucoup de temps pour répertorier tous les cas, les analyser et comprendre d'ou venait le problème avant d'enlever la Thalidomide du marché.

D'autres molécules chirales ont aussi leur deux énantiomères qui possèdent des propriétés différentes.

1.4 Faces Ré et Si

 Pour les centres asymétriques, pour lesquels on attribue une configuration R ou S, pour les carbonyles (aldéhydes et cétones) on attribue des faces Ré et Si. A nouveau les règles de Cahn-Ingold-Prelog sont utilisées et l'atome d'oxygène du carbonyle est numéroté en 1.

 On dit alors que les deux faces du carbonyles sont prochirales, c'est-à-dire que lorsque l'on va faire l'addition d'un nucléophile sur le carbonyle, cette addition ça conduire à la formation d'un carbone asymétrique, donc d'un centre chirale, d’où le terme de prochirale.

 Tout carbonyle qui a un des groupements R₁ et R₂ différents, à une face Ré et une face Si. Si le réactif est chiral, alors il distingue la face Ré de la face Si, et il choisira l'une par rapport à l'autre pour faire son addition.

 

2. Représentation de Fischer

2.1 Généralités

Certaines molécules possèdent plusieurs centres asymétriques. C'est le cas notamment pour les glucides (sucres ou carbohydrate en anglais). Pour ces composés, il existe plusieurs méthodes afin de les représenter et notamment la méthodologie de Fisher. On parle alors de projection de Fischer ou de représentation de Fischer.

Dans cette représentation, la fonction la plus oxydée est placée en haut alors que la moins oxydée est placée en bas. Les autres substituants (en général H et OH) sont placés sur le côté. En fait, dans cette méthodologie, la chaîne verticale est en arrière du plan et les chaînes horizontales sont en avant, ce qui donne :

Pour les sucres, on parle souvent de composés D et L. Pour déterminer cette configuration on regarde le groupe hydroxyle (-OH) le plus en bas de la chaîne dans la représentation de Fischer. Si ce groupe est à droite alors le composé est D (DL (L comme Left qui signifie gauche en anglais). Pour les amino-acides, le problème est quasiment identique. Cette fois, on regarde le groupement amino (-NH₂) le plus en haut de la chaîne, si il est à droite alors on a un composé D, si il est à gauche alors on a un composé L. comme droite), si il est à gauche le composé est

2.2 Passage de la représentation de Cram à la projection de Fischer

Le plus dur est de passer d’une représentation à l’autre et notamment de la représentation de Cram (chaîne en zig-zag) à une projection de Fischer. Pour cela, chacun possède ça technique personnelle. Cependant, il existe une méthode infaillible qui permet de passer d’un modèle à l’autre sans se tromper. Il suffit, dans la représentation de Cram, de déterminer la configuration absolue des différents carbones asymétrique et, de reporter cette configuration dans la projection de Fischer.

Ci-dessous, sont représentés deux exemples concret celui du D-talose, et celui du D-glucose :

Bien sur, cette technique qui consiste à étudier la configuration de tous les carbones asymétrique sur les deux modèles, peut vite devenir fastidieuse. Il existe donc une méthode plus simple, que nous allons maintenant détaillée et qui permet de passer de la représentation Cram à la projection de Fischer. Une fois la technique comprise dans un sens, elle peut facilement s’adapter au passage de la projection de Fischer à la représentation de Cram.

Notre exemple consiste à représenter le D-Talose en projection de Fischer depuis une représentation de Cram. Pour cela, il suffit de s’imaginer un petit bonhomme qui, au dessus de la molécule, regarde celle-ci. Sa main droite est représentée en vert. La tête de notre bonhomme doit toujours être orienté vers la fonction la plus oxydée (ici l’aldéhyde).

	Si l’on regarde le carbone 1, on constate que le groupement hydroxyle (en représentation de Cram) est vers l’arrière, c'est-à-dire du coté la main gauche de notre bonhomme. Donc en projection de Fischer, ce groupement hydroxyle sera du coté gauche.
	Dés lors, il apparaît clairement que, le groupement hydroxyle en position 3 est dans le même cas de figure que celui en position 1. On peut donc placer cet hydroxyle lui aussi à gauche sur la projection de Fischer.
	Concernant la position 2, la situation est inverse. En effet, pour notre bonhomme, ce carbone est plus loin que les carbones 1 et 3. On applique donc une règle complètement différente. Tous ce qui, en représentation de Cram, se trouve du coté de la main droite de notre bonhomme, sera à gauche en projection de Fischer. Ainsi le groupement hydroxyle en C2 est en avant du plan et donc du coté de la main droite de notre bonhomme (en représentation de Cram), il sera donc à gauche sur la projection de Fischer.
	Exactement la même situation se produit concernant le carbone C4. Dans ce cas l’hydroxyle est vers l’arrière, donc du coté de la main gauche, d’où on le retrouve à droite en projection de Fischer, ce qui va parfaitement avec la notation D du D-Talose.

2.3 Méso, érythro, thréo

Le gros problème de la chimie organique ce sont les vielles notations qui ne devraient plus avoir cours mais qui sont encore largement utilisées. C'est le cas notamment de la notation thréo, méso et érythro. Un exemple est donné pour chacune de ces notations. Notons que le composé méso est un cas particulier du composé érythro.

méso	érythro	thréo

 

Les composés méso sont donc des composés qui possèdent un plan de symétrie. Les exemples suivants montrent d’autres composés méso :

 Les composés méso, même s’ils possèdent des carbones asymétriques, non pas d’action sur la lumière polarisée. Il est alors nécessaire de les désymétriser si l’on désire les utiliser en synthèse asymétrique. L’exemple suivant illustre le cas de cette étape de désymétrisation.

 

3. Représentation de Newman

La représentation de Fisher est particulière aux sucres. Il existe une autre représentation, largement utilisée, celle de Newman. Pour illustrer cette méthodologie, prenons l'exemple de la molécule suivante PhCHBr–CDCl–CH=CH₂.

Pour représenter les molécules, il faut d'abord dessiner la molécule en projection cavalière. Puis on regarde dans le plan de deux atomes de carbone (un devant et l'autre en arrière). Il suffit ensuite de placer les substituants en fonction de la stéréochimie de la molécule de départ.

Les substituants peuvent être en position éclipsée (c'est-à-dire l'un derrière l'autre) mais c'est une position peu stable à cause de l'encombrement stérique. Ou bien en position décalée, c'est la position la plus stable.

Comme on vient de le voir, dans une projection de Newman, il existe plusieurs façon de positionner les différents substituants les uns par rapport aux autres. Certaines positions (notamment les positions décalées) sont des positions préférées. Le diagramme énergique de la molécule d’éthane représente ces positions préférées, se sont celles qui sont d’énergie plus basses, donc plus stable.

D’après ce diagramme d’énergie, il apparaît qu’il existe deux formes possibles pour les conformères en projection de Newman. Sur ces deux conformères, la position éclipsée n’est pas stable, tout au moins elle est moins stable que la position décalée ou dite "gauche". Donc, dans le cas simple de l'éthane, on à deux niveaux d'énergie possible. Etudions maintenant le cas du 1-bromopropane.

Dans le cas du 1-bromopropane, on remarque que l'on n'a plus globalement deux niveaux d'énergies, mais trois, avec un niveau très bas, tout au moins plus bas que les autres, c'est lorsque le brome et le méthyle sont éclipsée à 180°. C'est donc une conformation privilégiée.

D'autres molécules présentent elles aussi une activité optique (c'est-à-dire qu’elles sont chirales) sans pour autant posséder de carbone asymétrique. C'est le cas par exemple des allènes ainsi que des biphényles. Dans ce cas on parle d'axe de chiralité.

 

4. Cas des allènes

Les allènes sont des composés qui possèdent deux doubles liaisons l'une à côté de l'autre (C=C=C). Les orbitales p de ces doubles liaisons ne sont pas dans le même plan, mais dans des plans perpendiculaires.

Ainsi, si l'on regarde dans le sens 1 ou dans le sens 2, voici ce que l'on observe :

Sens 1	Sens 2

On remarque bien que les deux doubles liaisons sont dans des plans perpendiculaires. Donc pour les allènes, comme pour les carbones asymétriques, il existe des configurations absolues. Pour cela on utilise toujours les règles de priorités de Cahn-Ingold-Prelog, en ajoutant une nouvelle règle : "Les groupes les plus près sont prioritaires par rapport aux groupes les plus éloignés".

Prenons l'exemple de l'allène suivant :

Sens 1	Sens 2

Pour les allènes, la nomenclature utilisée est M ou P. M lorsque l'on tourne dans le sens des aiguilles d'une montre (équivalent à R pour les carbones asymétriques) et P quand on tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (équivalent à S pour les carbones asymétriques).

On remarque de plus d'après notre exemple, que si l'on regarde dans le sens 1 ou dans le sens 2, on tombe toujours sur la même configuration M ce qui nous montre que cette configuration s'applique à la fonction allène (C=C=C) et non plus à un seul atome de carbone.

 D'autres composés possèdent une chiralité semblable aux allènes. Comme pour ces derniers ils ne possèdent pas de carbones asymétriques, et pourtant ils ne sont pas superposable à leur image dans un mirroir :

 

5. Atropoisomérisme

D'autres composés, possèdent eux aussi un axe de chiralité. Ce sont les biphényles. Dans ce cas on parle d'atropoisomérisme (a qui signifie privé de, et tropos qui signifie tourner). Donc en fait les biphényles en question n'ont pas la possibilité de tourner autour de l'axe de chiralité, ce qui induit l'atropoisomérisme. La rotation n'est pas possible à cause de l'encombrement des groupes présent sur les phényles.

La notion d'atropoisomérisme est très importante, car elle est la base de l'hydrogénation asymétrique. En effet, pour faire de l'hydrogénation asymétrique, on utilise un métal de transition (rhodium, ruthénium, etc.) ainsi que des ligands chiraux.

Exemple du BIPHEMP (ce genre de composé possède toujours des acronymes exotiques)

Dans le cas des biphényles, il existe aussi une notation R ou S permettant de différencier les deux énantiomères.

 

6. Tableau récapitulatif des isoméries

• Degré d’insaturation : Le degré d’insaturation d’une molécule représente le nombre d’insaturations présentent dans une molécule en fonction de sa formule brute. Une insaturation est une double liaison carbone-carbone, une double liaison carbone-oxygène, un cycle (peu importe la taille de ce dernier). Ainsi le benzène admet, selon notre définition, 4 insaturations, 3 vraies insaturations dues aux doubles liaisons carbone-carbone, plus une insaturation liée au cycle. Ce degré est obtenu par la relation suivante :

Atomes tétravalents	Atomes trivalents	Atomes monovalents
C , Si, Ge, Sn, Pb	B, Al, Ga, In, Tl N , P, As, Sb, Bi	H Li, Na, K, Rb, Cs, Fr F, Cl, Br, I, At

On remarquera que dans la formule suivante on ne tient pas compte des atomes divalents, tels que les atomes d’oxygène, ou de soufre… Un atome tétravalent est un atome tel que le carbone, ou le silicium. Un atome trivalent est l’azote par exemple, quand aux atomes monovalent ils sont plutôt nombreux, on y retrouve, l’hydrogène, les halogènes…

En conclusion, à partir d’une formule brute donnée, il est possible de déterminer tous les isomères de constitution pour cette formule. Bien sûr, plus le nombre d’atomes de carbone est élevé et plus le nombre d’isomères est important (dans le tableau ci-dessous, seuls certains isomères sont représentés). Pour certains de ces isomères, il existe des stéréoisomères, c'est-à-dire des isomères ou les substituants ne bougent pas de place, mais varient simplement de part leur position dans l’espace. Il y a les isoméries cis, trans, se sont de isoméries qui ne s’appliquent qu’aux cycles. Lorsque deux substituants sont tous les deux en avant du plan ou en arrière on parle alors d’isomère cis, et lorsqu’ils sont dans les plans différents on parle alors d’isomère trans. L’isomérie syn, trans représente la même chose, mais dans le cas de composé acyclique. Enfin, ces composés peuvent être des diastéréoisomères (dans le langage courant on parle de dia, ou diastéréomères), ou des énantiomères. Les diastéréoisomères sont des composés qui ne se différencient l’un de l’autre que par la configuration absolue d’un seul centre stéréogène, alors que des énantiomères on tous leurs centres stéréogènes qui ont une configuration inversée.

(R, R, R, R), (R, R, R, S), (R, R, S, R), (R, R, S, S), (R, S, S, S), (R, S, R, R), (R, S, S, R) sont des exemples de diastéréoisomères.

(R, S) et (S, R) sont des énantiomères, ainsi que (R, R) et (S, S).

Le tableau ci-dessous regroupe toutes ces notions :

 

 

En chimie organique, il existe deux grandes classes de composés : les composés en série acyclique, et les composés en série cyclique.

 Les composés cycliques à 6 chaînons sont les plus intéressants. Nous étudierons donc ici les dérivés du cyclohexane. Pour représenter le cyclohexane, il existe trois possibilités : deux formes chaise et une forme bateau. Les flèches rouges représentent la partie qu'il faut tordre pour passer d'une forme à une autre.

 On remarque que l'on peut passer facilement d'une forme chaise à l'autre en passant par un intermédiaire forme bateau. On parle alors de forme chaise et de chaise inverse. Les formes chaise sont nettement plus stables que les formes bateau (6.9 kcal/mol de différence de stabilité).

 Le diagramme d'énergie entre les différentes conformations (chaise, bateau, chaise inverse) est représenté ci-dessous :

 La plus grande stabilité des deux conformations chaises par rapport à la conformation bateau provient de l'encombrement du aux deux hydrogènes trop proches sur le conformère bateau.

 Sur la forme chaise A, le groupe méthyle est en position axiale alors que sur la forme chaise B (chaise inverse de A) le groupe méthyle est en position équatoriale.

 C'est donc une première notion à retenir. Tous les substituants en position axiale (Ax) se retrouvent en position équatoriale (Eq) lorsqu'on passe à la chaise inverse (et réciproquement).

 

1. Comment positionner les liaisons axiales et équatoriales ?

 Le plus dur dans ces représentations de cyclohexanes, est de mettre correctement les liaisons axiale et équatoriale. Heureusement, pour y arriver il existe quelques moyens simples. La première règle à retenir est que sur un carbone hybridé sp³, toutes les liaisons partant d’un même atome de carbone sont distantes entre elle d’un angle de 109°27’, ce qui, comme nous allons le voir, permet de placer les liaisons axiales et équatoriales que dans une et une seule position.

 Dans un premier temps, pour positionner les liaisons axiales, il est nécessaire de regarder l’atome de carbone le plus à droite de ce cycle (ou conformation). Si cet atome est dirigé vers le haut, alors la liaison axiale est dirigée vers le haut. De plus les deux atomes de carbone voisin, auront leurs liaisons axiales dirigées vers le bas. En gros, quand, sur un carbone, une liaison axiale est dirigée vers le haut, alors sur le carbone voisin elle est dirigée vers le bas et réciproquement.

 En revanche, les deux représentations suivantes sont fausses car elles ne respectent pas cette règle que nous venons de voir.

 Passons maintenant aux positions équatoriales : Pour cela, il est nécessaire de voir que dans une forme chaise, les six liaisons qui constituent le cycles sont parallèles deux à deux. Voir le schéma en couleur ci-dessous :

 Dés lors, il est simple de positionner les liaisons équatoriales de chaque carbone. En effet, pour un carbone donné, il suffit de regarder la couleur des deux liaisons qui lui arrive dessus. Par exemple, pour le carbone le plus à droite : une liaison bleue et une verte lui « arrive dessus », la liaison équatoriale sera donc rouge (la couleur qui manque) et parallèle au deux autres liaisons rouge du cycle.

 La représentation suivante est fausse. En effet, même si elle respect bien ce jeux de couleur, il n’est reste pas moins qu’elle enfreint la règle absolue selon laquelle tous les angles de liaisons doivent être de 109°27’.

 

2. Projection de Newman des cyclohexanes

 Comme nous l’avons vu au chapitre sur la stéréochimie, il existe plusieurs façons de représenter une molécule donnée. Certaines de ces représentations aidant bien à la compréhension des mécanismes réactionnels, ce qui est le cas notamment de la projection de Newman. Cette projection s’applique à de nombreuses molécules linéaires mais aussi à des molécules cycliques, comme les cyclohexanes qu’ils soient sous forme chaise, chaise inverse, ou bateau.

 Comme son nom l’indique la projection de Newman est une projection selon un axe. Ainsi, pour les cyclohexanes, on se projette selon deux axes parallèles. Comme d’habitudes, une partie des carbones et leurs substituants seront vers l’avant alors que l’autre partie sera vers l’arrière.

 Exemple concret d’une forme chaise comportant des substituants :

 Forme bateau :

 

3. Passage de la représentation 2D à la conformation 3D

 C’est une question qui revient souvent : comment faire pour passer de la représentation classique en deux dimensions à une conformation chaise ?

 C’est en fait plutôt simple. En effet, en étudiant bien les conformations chaise et chaise inverse on constate que lorsqu’on les regardent vu de dessus, certaines liaisons (équatoriale et axiale) sont plus proche de notre œil, et donc à l’opposé certaines autres liaisons sont plus loin. Cette notion est illustrée ci-dessous : toutes les liaisons en bleue sont proches de notre œil alors que les liaisons en rouge sont plus éloignées (par rapport à celles en bleues).

 Ensuite, sur la représentation en deux dimensions, il suffit de faire la même chose, c'est-à-dire que toutes les liaisons de cyclohexane, qui sont vers l’avant seront en bleue et celles vers l’arrière seront en rouge.

 Puis, en numérotant les atomes de carbone dans les deux représentations (2D et 3D) on place les différents substituants sur le conformère.

 

4. Stabilité des conformations chaise et chaise inverse

4.1 Cyclohexanes substitués

 Parlons un peu de la stabilité de ces composés. Un substituant préfère-t-il être en position axiale ou en position équatoriale ? La réponse est simple, les substituants préfèrent être en position équatoriale. Car en position axiale, ils génèrent des interactions avec les hydrogènes en position 3 et 3'. On appelle ces interactions des interactions 1,3 diaxiales, c'est-à-dire des interactions entre deux groupes en positions axiales : les groupes en positions 1 et 3 ainsi que 1 et 3'.

 Le diagramme ci-dessous représente cela d'un point de vu énergétique. Sur le premier conformère on a alors une interaction 1,3-diaxiale, ce qui conduit à un conformère peu stable. Il faut donc passer au conformère chaise inverse dans lequel le groupe méthyle est en équatoriale, il en résulte donc un niveau d'énergie plus bas pour le conformère chaise inverse. Cependant, lors du passage au conformère chaise inverse, il est nécessaire de passer par la forme bateau, qui elle est élevée en énergie.

4.2 Décalines

 Etudions brièvement le cas des décalines c'est-à-dire de deux cycles à 6 chaînons accolés l'un à l'autre.

	Décaline cis : dans ce cas on a deux liaisons C-C en position axiales et deux liaisons C-C en positions équatoriales.
	Décaline trans : les liaisons C-C de jonction de cycles sont toutes des liaisons en position équatoriale

Conclusion : la décaline trans est privilégiée par rapport à la décline cis, car dans la trans il n'y a pas d'interactions 1,3 diaxiales.

 

5. Systèmes cycliques insaturés

 Sur le problème des conformations, il nous reste à aborder le cas des systèmes insaturés.

 De même pour un système présentant une substitution on à :

 Avec, comme pour les systèmes saturés, des substituants en position axiale ou en position équatoriale. Cependant, dans ce cas on par plus souvent de positions pseudoéquatoriale et pseudoaxiale.

La photochimie existe depuis de nombreuses années, mais malheureusement les chimistes ne savaient pas comment la contrôler afin de l'utiliser efficacement en synthèse. C'est ainsi que pendant des années, la seule réaction photochimique que l'on faisait et qui de plus était parfaitement contrôlée, a été le ... bronzage. Pourtant la photochimie s'est considérablement développée et ce grâce aux avantages qu’elle représente :

• pas de déchet
• peu coûteux
• permet de mettre en évidence certains intermédiaires
• donne accès à des réactions que l'on ne peut pas faire avec la chimie normale

Face à ces avantages, on note quelques contraintes :

• choix de la longueur d'onde
• choix du solvant
• choix de la concentration (réaction mono et/ou bimoléculaire)

Une réaction photochimique se résume à cette équation :  

Pour faire une réaction photochimique, il faut d'abord prendre le spectre UV de la molécule A afin de s'assurer qu'elle absorbe dans un certain domaine.

Nous n'aborderons pas ici la théorie avec notamment les problèmes de fluorescence, phosphorescence, l'étude du diagramme de Jablonski, le rendement quantique, les sensibilisateurs. Tous ces points sont développés dans le Carey et Sundberg au chapitre 13.

Réaction de Norrish I

• Réaction de Norrish I (transition (np^*)¹)  : Spectre d'absorption UV d'une fonction cétone :

• Si n = 0

On a vu que le choix du solvant était important, en effet lorsque la même réaction est faite dans le méthanol ou dans l'hexane, le résultat est différent.

Réaction de Norrish II

• Réaction de Norrish II (transition (np^*)³)

Pour avoir une réaction de Norrish II, il faut absolument que le H en position g se trouve dans le même plan que la fonction carbonyle.

Exemple d'application :

Deux choses importantes dans cette réaction :

• D'abord, dans la seconde étape on remarque un radical en a d'un cyclobutane. Il y a donc ouverture du cyclobutane et formation d'une double liaison. (voir réactions radicalaires)
• En g du carbonyle il y a H₁, H₂, H_2' et H₃. Mais pour avoir une réaction de type Norrish II, il faut que le H en g soit dans le plan du carbonyle. Seul H₁ est dans le plan.

Arrachement d'hydrogène 1,5

Photolyse de composé nitrite

 

 

Réactions d'énones en photochimie

Dans l'état (pp^*)³ on fait un renversement des charges ce qui peut être intéressant pour les réactions de Diels - Alder.

• Cycloaddition intermoléculaire

Polarisation de la double liaison en fonction de la nature du groupement R :

 

Enones linéaires (dicétones) :

• Cycloadditions intramoléculaires

 

Cycloadditions

• cétone + oléfine

(np^*)¹ : bonne sélectivité et stéréosélectivité mais mauvaise régiosélectivité
(np^*)³ : mauvaise stéréosélectivité mais bonne régiosélectivité

• oléfine + oléfine

Jonction de cycle trans par rapport à la fonction hydroxyle. C'est une réaction qui marche bien pour faire des bicycles 5-4 par contre elle ne marche pas pour les autres bicycles.

• Cycloaddition de type méta (à 254nm)

Mécanisme de type biradicalaire

Réaction de Wender : synthèse de produits naturels bicycliques, tricycliques à 5 chaînons.

Réarrangement oxo-di-p-méthane

Cétones b,g-insaturées réactions qui se passe dans l'état (pp^*)³. La réaction se fait en général dans l'acétone.

• Migration 1,2 d'un groupement acyle

 

Réarrangement de diénones

 

Cyclopropane vinylique

 

 

Formation de cyclopropanes

Pour décomposer les diazo, on utilise des sels de cuivre. La formation de diazodicétones se fait à partir de Et₃N et TsN₃.

1. Généralités

 Une sigmatropie est la migration d'une liaison s le long d'un système p. Cette définition permet de mieux comprendre ce qu'est un réarrangement sigmatropique. Ainsi un tel réarrangement ne peut pas avoir lieu sur un alcane, car ce dernier ne possède pas de liaison p. A noter que cette liaison p peut provenir d'une double liaison, d'une fonction carbonyle, et bien d'autres…

Le réarrangement sigmatropique admet une nomenclature bien particulière. En effet, on parle de réarrangement de type [n, m]. Avec n et m des valeurs décimales. Ces valeurs sont simples à attribuer, il suffit d'établir une numérotation à partir de la liaison que l'on va rompre (des deux cotés on attribue une numérotation), puis on attribue les valeurs de n et m à la position que va occuper la liaison s qui a migrée.

L'exemple suivant montre donc une sigmatropie de type [3, 3]. L'exemple ci-dessous est un réarrangement de Claisen.

 

2. Réarrangement de Claisen

Les publications originales sont en allemand mais qu'importe quand on aime… Claisen, L. Chem. Ber. 1912, 45, 3157; Chem. Ber. 1925, 58, 275 et Chem. Ber. 1926, 59, 2344. Voir aussi, mais en anglais cette fois-ci, la revue de Nowicki, J. Molecules 2000, 5, 1033.

2.1 Transfert de chiralité-1,3

L'exemple ci-dessous est un peu particulier puisqu'en fait au cours de cette sigmatropie on va rompre une liaison portée par un carbone stéréogène. Ce centre stéréogène va être recréé, après le réarrangement et il y aura eu transfert de chiralité de la position 1 (en rouge) vers la nouvelle position 3 (en rouge), mais nous reviendrons en détail sur ce point un peu plus loin.

 

2.2 Méthode de Johnson

Cette méthode permet de mettre en place la fonction alcool allylique nécessaire au réarrangement. Pour cela on utilise un ortho ester. Dans le cas suivant le produit final sera une cétone dans le cas où le groupe R est de type alkyle. Si R est de type OEt alors on obtiendra un ester en fin de réaction.

Transfert de chiralité : Basé sur la même méthode, on peut utiliser l'alcool allylique chiral suivant. Au cours du réarrangement on aura conservation de la stéréochimie. Cela est du à l'état de transition, en effet ici on fait un réarrangement [3, 3], donc l'état de transition est de type Zimmerman-Traxler, d'où un très bon transfert de chiralité.

Deux points importants sont à souligner pour cet exemple :

1. Le groupe méthyle qui est en avant du plan, avant réarrangement, se retrouve aussi en avant du plan après le réarrangement. De plus sa configuration absolue est R avant et après réarrangement, mais ça c'est pas une règle c'est juste une observation car il faut toujours revérifier les ordres de priorité selon les règles de Cahn-Ingold-Prelog.
2. La stéréochimie E de l'insaturation reste inchangée avant et après réarrangement.

Le réarrangement de Claisen est aussi possible à partir de triples liaisons carbone-carbone (ce qui va alors donner un allène) ou à partir d'une triple liaisons carbone-azote.

Tous ces réarrangements sont des réarrangements qui se font par chauffage. Par addition d'un acide de Lewis, il est possible de diminuer cette température et ainsi éviter des dégradations ou des polymérisations.

2.3 Réaction d'aza Claisen

Le réarrangement d'aza Claisen est semblable au réarrangement de Claisen classique à la petite exception que dans le cas de l'aza Claisen il y a un atome d'azote qui intervient. En gros on va rompre une liaison carbone-azote. Dans le cas suivant la réaction est palladocatalysée, alors on ne peut pas vraiment écrire le mécanisme avec les flèches comme précédemment, mais on peut quand même mettre quelques flèches juste pour mieux comprendre (Overmann, L. E. Angew. Chem. 1984, 96, 565). A nouveau, on observe une sigmatropie [3,3].

Pour bien comprendre voici donc un exemple encore plus simple (Hill, R. K.; Gilman, N. W. Tetrahedron Lett. 1967, 1421) :

Enfin, un dernier exemple utilisé en synthèse cette fois-ci (Kazmaier, U.; Schneider, C. Synthesis 1998, 9, 1321) : Dans cet exemple on a un réarrangement de Claisen classique, avec transfert 1,3 de chiralité.

 

3. Réarrangement de Cope

Le réarrangement de Cope est assez proche de celui de Claisen (Cope, A. C.; Hardy, E. M. J. Am. Chem. Soc., 1940, 62, 441). A nouveau, on observe une sigmatropie [3,3], cette fois-ci la réaction est un équilibre qui évolue vers la formation du produit thermodynamiquement le plus stable.

L'addition de complexes de palladium est connue pour faciliter ce réarrangement, comme nous l'avons vu pour le réarrangement de Claisen.
L'exemple suivant décrit en 1997 (Schneider, C. Synlett 1997, 815) l'utilisation de ce réarrangement en synthèse. Ici la force motrice de la réaction est la conjugaison de la double liaison à la fonction carbonyle, ce qui déplace totalement l'équilibre dans le sens de la formation du produit.

3.1 Oxy-Cope

Concernant la réaction d'oxy-Cope, il n'y a pas grand chose à dire si ce n'est qu’elle est très proche de la réaction de Cope.

3.2 Aza-Cope

De même que l'on avait observé une réaction d'aza-Claisen, il existe une réaction d'aza-Cope qui fait intervenir un atome d'azote, comme sont nom l'indique… En fait, il existe plusieurs types de réactions d'aza-Cope, comme pour les aza-Claisen, et celles peuvent se faire à partir de molécules neutres ou de molécules chargées comme des ions iminiums.

 

4. Réarrangement de Carroll

4.1 Généralités

Le réarrangement de Carroll est un réarrangement extrêmement stéréosélectif. (Carroll, K. F. J. Chem. Soc. 1940, 704.)

L'exemple suivant montre le réarrangement de Carroll classique. Celui-ci commence par une transestérification entre l'alcool allylique A et le cétoester B, pour donner un nouvel ester C. Ce nouveau cétoester C peut exister sous deux formes, une forme cétone C (minoritaire) et une forme énol D (majoritaire). C'est cette forme énol D qui va permettre le réarrangement sigmatropique pour donner l'acide E. Or comme pour faire cette sigmatropie, on chauffe, on va observer une décarboxylation pour finalement obtenir la cétone G.

L'exemple ci-dessous met en valeur un réarrangement de Carroll au cours de la synthèse d'une molécule naturelle (Hatcher, M. A. Tetrahedron Lett. 2002, 43, 5009).

La première étape consiste en une déprotonation par NaH au pied du cétoester. Cette déprotonation se fait à chaud dans le para-xylène, et ainsi le réarrangement se fait dans la foulée, ainsi que la décarboxylation ce qui donne directement le produit issu du réarrangement. Alors bien sûr au cours de cette réaction il y a création d'un centre stéréogène (celui qui porte la fonction acide carboxylique) mais comme la molécule est immédiatement décarboxylée, on n'étudie pas la configuration absolue de ce centre.

4.2 Variante de Ireland

La variante de Ireland, permet de faire le même réarrangement de Carroll toujours en chauffant, mais cette fois-ci on évite la réaction de décarboxylation. Car cette fois on ne part plus d'un cétoester, mais tout simplement d'un ester (Ireland, R. E.; Mueller, R. H. J. Am. Chem. Soc. 1972, 94, 5897; Ireland, R. E.; Mueller, R. H.; Willard, A. K. J. Am. Chem. Soc. 1976, 98, 2868).

L'exemple ci-dessous montre un réarrangement de Ireland avec un parfait transfert de chiralité (Konno, T.; Daitoh, T.; Ishihara, T.; Yamanaka, H. Tetrahedron: Asymmetry 2001, 12, 2743.) :

4.3 Exemple en synthèse

 Cet exemple illustre le réarrangement de Carroll dans lequel on observe une contraction de cycles (voir Tetrahedron Lett. 1996, 37, 8065).

 

1.1 Mécanisme

1.2 Acides de Lewis

1.3 homo Diels-Alder

1.4 Cycloaddition et géométrie des cycloadduits

1.6 Diels-Alder à demande inverse

2.1 Exemple concret

2.2 Exemple d'action d'un acide de Lewis

5.1 Exemples en série cyclique

5.2 Exemples en série acyclique

• En série acyclique, on a un problème d'isomérisation des nitrones acycliques : Il y a favorisation de la forme Z car la forme E provoque des interactions stériques gênantes. Cependant, l'approche sur la forme E est favorisée quand même à cause de la face dégagée qu' elle propose.

• Cas particulier des phényles : Dans ce cas les deux extrêmes sont volumineux, l'équilibre n'est donc pas déplacé vers la forme E. Il faut donc regarder le dipolarophile pour savoir si l'approche se fera sur la face exo ou endo.

Autre exemple de réaction 1,3-dipolaire (dans notre exemple R₁ est un groupe électrodonneur) :

 

6. Ene réactions

            Comme pour les autres cycloadditions, la ène réaction se fait entre un "ène" et un "ènophile".

La nature de l'ènophile peut être assez variée : alcènes, alcynes, carbonyles, thiones, imines, et d'autres.

La version intramoléculaire conduit à la formation de cycle :

Quelques exemples :

• Réactions avec les alcènes : Choix des deux partenaires : Dans ce cas, on a un seulènophilepossible. Par contre, on a le choix entre 3ènes. Si on implique H₁ dans la réaction, on aura alors un H secondaire, ce qui n' est pas bon pour des raisons stériques, de plus on formerait un cycle à 7. Reste à faire le choix entre H₂ et H₃, on prend le plus dégagé c'est-à-dire H₃. R est un groupe chiral.

• Autre exemple de réaction entre un ènophile qui n'est autre qu'un alcène et un ène qui est un allène. Dans ce cas particulier deux produits se forme. Le produit A est issu d'une réaction de [2+2] (voir plus bas), quand au produit B il est bien issu d'une ène réaction.

• Réactions avec les carbonyles :

 

7. Réactions de [3+2]

La réaction de [3+2] est aussi appelée réaction d'annélation assistée par les métaux de transitions. Par analogie avec la réaction de Diels-Alder, cette annélation fait intervenir 2 partenaires. Le partenaire A possède 3 électrons qui est formé par action d'un métal de transition, et le partenaire B qui est une espèce à deux électrons (Trost, B. M. et al. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 5972, J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 2326).

Mécanisme :

Préparation du 2-[(triméthylsilyl)méthyl]-2-propèn-1-yl acétate, voir Trost et al. Org. Synth. 1984, 62, 58.

Exemples :

• Version intermoléculaire (voir Tetrahedron Lett. 2003, 44, 5033).

• Version intramoléculaire

8. Réactions de [2+2]

               La réaction de [2+2] fait intervenir deux partenaires mettant en jeu chacun deux électrons. L'approche des deux partenaires est perpendiculaire.

Lors des ces réactions, il n'est pas rare de former des bicycles. Ces bicycles adoptent une nomenclature particulière. Les chiffres entre crochets représentent le nombre d'atomes de carbone qui ne sont pas communs aux cycles.

Cycles fusionnés [n,2,0]	Cycles pontés [n,1,1]

Exemples :

·        Version intramoléculaire :

·        Version intermoléculaire :

Explication de ce dernier résultat :

Dans un premier temps, il faut regarder la position du cétène par rapport à l'auxiliaire chirale

Forme peu favorable, à cause de la gène stérique du au groupe phényle	Forme favorable, ici il n'y a pas de gène stérique.

1. Nomenclature

Les règles de Baldwin sont des règles empiriques (définies par l'expérience) qui permettent de prédire le type de cyclisation qui aura lieu lors d'une réaction. En effet, dans l'exemple suivant, notre radical peut attaquer la double liaison de deux façons différentes. Dans un cas on obtient alors le cycle à 5 chaînons alors que dans l'autre cas on forme celui à 6 chaînons. Les règles de Baldwin permettent de prédire celui qui sera formé de façon privilégiée.

Ici, on prend l'exemple d'une réaction radicalaire, mais il est à noter que les règles restent identiques pour des processus anioniques, par exemple. Dans notre exemple, on a pris le cas d'un processus qui permet de former un cycle carboné, mais les règles de Baldwin s'appliquent aussi à la formation d'hétérocycles.

Les règles de Baldwin s'appliquent à la formation de cycles de 3 à 7 chaînons.

On note deux types de processus, le processus exo et le processus endo. Ces deux types de processus dépendent du type d'attaque, mais surtout de la position dans laquelle va se retrouver l'insaturation après l'attaque. En effet, si après cyclisation l'insaturation (ou plus exactement l'ex-insaturation) se retrouve en dehors du cycle formé on parle de processus exo. Si l'insaturation se retrouve à l'intérieur du cycle, on parle de processus endo.

Il existe une exception à ces règles, en effet il faut que l'atome qui porte la charge négative ou le radical soit un élément de la 2ème ligne de la classification périodique des éléments (typiquement Carbone, Oxygène, Azote, etc…). Et cela est une conséquence directe de la longueur des liaisons formées ainsi que de la taille de l'atome. Les règles suivantes ne sont valables que pour les éléments de la 2ème ligne.

            Les cyclisations s'adressent à trois types de systèmes : (pour simplifier on prend l'exemple d'un radical qui attaque un système carboné)

	Ici, notre radical vient attaquer une triple liaison, c'est-à-dire un carbone hybridé sp. On parle alors de système digonal. Là encore les deux types d'approche sont possibles, endo ou exo. On a donc une réaction de type endo-dig ou exo-dig.
	Ici, notre radical vient attaquer une double liaison c'est-à-dire un carbone hybridé sp2. On parle alors de système trigonal. Là encore les deux types d'approche sont possibles, endo ou exo. On a donc une réaction de type endo-trig ou exo-trig.
	Ici, notre radical, un carbone hybridé sp3. On parle alors de système tétragonal. Là encore les deux types d'approche sont possibles, endo ou exo. On a donc une réaction de type endo-tet ou exo-tet.

Enfin, pour en finir avec la théorie, lorsqu'on parle des règles de Baldwin, on parle de processus X‑exo-trig (par exemple, mais toutes autre combinaison est possible). X représente le nombre d'atomes qui constitue le cycle que l'on veut former. Pour chaque processus, il existe deux possibilités, soit le processus est favorisé (alors on forme le cycle), soit le processus est défavorisé (dans ce cas on forme aussi le cycle, mais c'est beaucoup plus dur, il s'en forme moins, le rendement est moins bon).

 

2. Cyclisation

2.1 Règles sur les systèmestétragonaux

2.2 Règles sur les systèmes trigonaux

2.3 Règles sur les systèmes digonaux

Ces règles sont ici expliquées dans le cas le plus simple. A savoir dans le cas où le cycle n'est composé que d'atomes de carbone. Mais lorsque l'on remplace un des atomes de carbone par un atome d'oxygène, par exemple, l'angle de liaison change. En conséquence, les proportions en produit exo et endo peuvent varier. On remarque qu'il faut bien prendre en compte la configuration du substrat de départ pour mieux comprendre les proportions en produits exo et endo.

2.4 Angle d'approche

Au cours de la cyclisation, l'atome réactif vient former une liaison selon un certain angle d'attaque. Cet angle dépend du type de cyclisation que l'on veut faire, ainsi l'angle d'une cyclisation X-exo-tet est différent de celui d'une X-exo-trig et d'une X-exo-dig

Système tétragonal
	Ici on a un angle de 180° entre l'espèce entrante (X) et l'espèce partante (Y). On peut assimiler cette réaction à une SN2 intramoléculaire qui donnerait un cycle.
Système trigonal
	Ici X arrive sur la double liaison, d'un carbonyle ou une insaturation carbonée selon un angle d'approche de 109°. On retrouve cet angle de 109°. Sur le composé tétraédrique formé.
Système digonal
	Dans ce cas on a un angle d'approche de 120°, ce qui correspond une fois de plus à l'angle que l'on retrouve sur la molécule formée. Ici on a pris le cas d'un nucléophile (X) qui attaque une triple liaison, l'anion formé ensuite (est nucléophile) et vient donc se lier à la partie électrophile (Y) du nucléophile (X) de départ.

2.5 Cas de la cyclisation cationique

Le cas d'une cyclisation cationique est beaucoup plus difficile à aborder et c'est pour cela que nous ne traiterons que le cas de la 6-endo-trig et de la 5-endo-trig.En effet, les cyclisations de type 6-endo-trig sont largement connues et se font par exemple entre une double liaison d'oléfine et un carbocation, ce qui forme un cycle à 6 chaînons. En revanche, cette même réaction n'est pas possible dans le cas de la formation d'un cycle à 5 chaînons.

Bibliographie :
1. Baldwin J. Chem. Soc., Chem. Comm.1976, 734-736.
2. Baldwin; Thomas; Kruse; Silberman J. Org. Chem. 1977, 42, 3846.
3.Baldwin; Lusch Tetrahedron 1982, 38, 2939.

2.6 Facilité de Cyclisation

Comme nous venons de la voir, Baldwin a édité des règles bien pratiques qui permettent de prévoir les cyclisations qui pourront avoir lieu. Cependant, certaines fois il peut y avoir compétition entre la formation d'un cycle à 5 ou 6 chaînons, c'est le cas notamment entre les cyclisations 5-exo-trig et 6‑endo-trig. Dans ce cas, on observe 98% de composé issu de la cyclisation 5-exo-trig, et seulement 2% du composé de cyclisation 6-endo-trig. En effet, les composés cycliques à 5 chaînons sont formés plus rapidement que les composés à 6.

Le tableau ci-dessous regroupe la vitesse relative lors d'une réaction lactonisation (plus le chiffre est élevé et plus la réaction est rapide).

De ce tableau, il ressort que les cycles à 5 chaînons sont très faciles à former et se forment donc plus vite que n'importe quel autre cycle. En revanche, les cycles à 8 chaînons sont très difficiles à former.