Époxyder le limonène : la double liaison la plus riche l'emporte

La stratégie. Un réactif électrophile cherche la densité électronique : sur un polyène, il réagit d'abord sur la double liaison la plus riche, donc la plus substituée par des groupes alkyle, donneurs. La réponse ne se lit pas sur l'encombrement, mais sur la richesse électronique ; c'est l'inverse pour le borane, que l'encombrement gouverne.

1) Un électrophile. Dans le mécanisme fourni, c'est le doublet $\pi$ de l'alcène qui attaque l'oxygène terminal du peroxyacide : l'alcène est le nucléophile, le peroxyacide l'électrophile. Cet oxygène est électrophile parce qu'il est lié à un autre oxygène par une liaison $\mathrm{O}-\mathrm{O}$ faible, dont la rupture produit un carboxylate (puis un acide) stabilisé par mésomérie : c'est un excellent groupe partant.

2) Régiosélectivité. La double liaison du cycle porte trois groupes alkyle (le méthyle et deux carbones du cycle) : elle est trisubstituée. Celle du groupe isopropényle en porte deux, sur le même carbone (un méthyle et le cycle), l'autre carbone étant un $\mathrm{CH}{}_2$ : elle est 1,1-disubstituée. Plus substituée, donc plus riche en électrons, la double liaison du cycle réagit nettement plus vite : avec un seul équivalent, on obtient l'oxyde de limonène (1,2-époxyde), la double liaison terminale restant intacte. Le produit, le cycle portant le pont oxygène sur la liaison qui était double, le méthyle sur l'un des carbones du pont :

La sélectivité n'est pas totale (un peu de diépoxyde et d'époxyde de la chaîne latérale se forment si l'on n'opère pas à froid et avec un équivalent exact) : c'est une préférence de vitesse, pas une exclusion.

3) Stéréochimie. Le mécanisme est concerté : les deux liaisons $\mathrm{C}-\mathrm{O}$ se forment en même temps, sur la même face de la double liaison, sans intermédiaire qui permettrait une rotation. La géométrie de l'alcène est donc conservée : un alcène $Z$ donne l'époxyde cis, un alcène $E$ l'époxyde trans. L'époxydation est stéréospécifique syn. Pour le limonène, la double liaison est dans un cycle, sa géométrie est imposée ; mais le peroxyacide peut l'aborder par l'une ou l'autre face du cycle. Le carbone porteur du groupe isopropényle est un stéréocentre déjà présent : les deux faces ne sont pas équivalentes, et l'on obtient deux diastéréoisomères, l'oxygène du même côté que le groupe isopropényle ou du côté opposé. Ce groupe est à deux liaisons de la double liaison et ne gêne presque aucune des deux faces : les deux diastéréoisomères se forment en proportions voisines (l'oxyde de limonène commercial est un tel mélange).

4) Quantités. Pour $0,100\mathrm{mol}$ : limonène $0,100\times 136,24=13,6\mathrm{g}$ ; mCPBA pur $0,100\times 172,56=17,26\mathrm{g}$, soit, à $77\%$ :

$$m=\frac{17,26}{0,77}=22,4\mathrm{g}.$$

Masse maximale d'époxyde : $0,100\times 152,24=15,2\mathrm{g}$. Le sous-produit, l'acide 3-chlorobenzoïque, s'élimine par lavage de la phase organique avec une solution aqueuse basique douce (hydrogénocarbonate de sodium) : il passe en phase aqueuse sous forme de carboxylate. On évite tout milieu acide, qui ouvrirait l'époxyde.

5) Deux électrophiles, deux choix. Le peroxyacide et le borane sont tous deux électrophiles, mais leurs états de transition ne pèsent pas les mêmes facteurs. L'époxydation transfère un atome d'oxygène à une double liaison dont la richesse électronique abaisse l'état de transition ; un réactif petit et peu sensible à l'encombrement choisit la double liaison la plus substituée. L'hydroboration place l'atome de bore, porteur de deux groupes volumineux, sur un carbone de la double liaison : l'état de transition est d'autant plus haut que les carbones sont encombrés, et le borane encombré choisit la double liaison terminale, la moins substituée, dont le $\mathrm{CH}{}_2$ est libre. Même molécule, deux réactifs, deux sites : on dispose ainsi de deux portes d'entrée sur le limonène, l'une par le cycle, l'autre par la chaîne latérale.

Ce que l'exercice installe. Le peroxyacide est électrophile : sur un polyène, il époxyde d'abord la double liaison la plus substituée, la plus riche en électrons (régiosélectivité). L'époxydation est concertée, donc stéréospécifique syn ; un stéréocentre déjà présent rend les deux faces différentes et donne deux diastéréoisomères. Une réactivité dictée par la richesse électronique (peroxyacide) et une réactivité dictée par l'encombrement (borane) choisissent des sites différents.