Carbone ou oxygène : ce que dit l'orbitale haute occupée de l'énolate

La stratégie. L'énolate a deux sites nucléophiles. Deux lectures sont possibles : la charge (contrôle de charge, électrophile « dur ») et la HO (contrôle orbitalaire, électrophile « mou »). On choisit la lecture selon l'électrophile, puis on vérifie qu'elle prévoit le produit observé.

1) Une déprotonation totale et irréversible. Le doublet de l'azote du diisopropylamidure arrache un hydrogène du carbone en $\alpha$ ; le doublet de la liaison $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ se reporte vers le carbonyle et l'on obtient l'énolate (associé à l'ion $\mathrm{Li}{}^{+}$) :

$K=10^{36-19}=10^{17}$ : la réaction est totale. On ajoute la cétone dans le LDA en léger excès pour que chaque molécule de cétone qui arrive soit aussitôt déprotonée : à aucun moment une cétone intacte ne côtoie un énolate (sinon, cétolisation). L'iodométhane n'est ajouté qu'une fois toute la cétone convertie, et pas avant : le LDA, base forte, le détruirait.

2) Deux formes, deux produits. Les deux formes mésomères placent la charge sur le carbone $\alpha$ ou sur l'oxygène. Attaque par le carbone : 2-méthylcyclohexanone ($C$-alkylation, liaison $\mathrm{C}-\mathrm{C}$ créée). Attaque par l'oxygène : 1-méthoxycyclohex-1-ène, un éther d'énol ($O$-alkylation).

3) La charge dit oxygène, l'orbitale dit carbone. La ligne des charges désigne l'oxygène ($-0,78$ contre $-0,30$) ; elle prévoirait l'éther d'énol, qu'on n'observe pas. La ligne de la HO désigne le carbone $\alpha$ : $0,74^2=0,55$ contre $0,59^2=0,35$ pour l'oxygène. L'iodométhane est un électrophile mou : son carbone porte une charge partielle faible (la liaison $\mathrm{C}-\mathrm{I}$ est peu polarisée), et ce qu'il offre au nucléophile est une orbitale basse et vacante, la BV ${\sigma }_{\mathrm{C}-\mathrm{I}}^{\ast }$, développée sur le carbone. La réaction est sous contrôle orbitalaire : le recouvrement HO(énolate)–BV(${\sigma }_{\mathrm{C}-\mathrm{I}}^{\ast }$) est le plus fort là où le coefficient de la HO est le plus grand, sur le carbone. C'est la lecture qui rend compte du produit.

4) Une substitution nucléophile bimoléculaire par le carbone. Le doublet de l'oxygène reforme le carbonyle, le doublet $\pi$ $\mathrm{C}=\mathrm{C}$ forme la liaison avec le carbone du méthyle, et la liaison $\mathrm{C}-\mathrm{I}$ se rompt :

La HO de l'énolate est une orbitale $\pi$, perpendiculaire au plan de l'énolate : l'iodométhane l'aborde par-dessus ou par-dessous ce plan, sur le carbone $\alpha$. Comme dans toute substitution bimoléculaire, il est attaqué à l'opposé de l'iode, le long de l'axe $\mathrm{C}-\mathrm{I}$, là où la BV ${\sigma }_{\mathrm{C}-\mathrm{I}}^{\ast }$ a son plus gros lobe.

5) Avec la moitié du LDA. La moitié seulement de la cétone est déprotonée : l'énolate côtoie une cétone intacte. Deux parasites : (i) la cétolisation, addition de l'énolate sur la cétone restante ; (ii) la polyalkylation : la 2-méthylcyclohexanone formée est elle-même énolisable, l'énolate restant lui arrache un proton (échange de proton entre deux carbonyles de $\mathrm{p}{K}_a$ voisins), et l'on forme des produits diméthylés. La déprotonation totale préalable supprime les deux.

6) Quantités. $n=4,91/98,15=5,00\times 10^{-2}\mathrm{mol}$. Iodométhane : $1,1\times 0,0500=0,0550\mathrm{mol}$, soit $7,81\mathrm{g}$ et $7,81/2,28=3,43\mathrm{mL}$. Masse maximale de produit : $0,0500\times 112,17=5,61\mathrm{g}$.

Ce que l'exercice installe. L'énolate est un nucléophile ambident : la charge est surtout sur l'oxygène, mais la HO est plus développée sur le carbone. Face à un halogénoalcane, électrophile mou à BV ${\sigma }^{\ast }$, le contrôle est orbitalaire : $C$-alkylation, par une substitution bimoléculaire, attaque à l'opposé du nucléofuge. On lit donc les orbitales fournies et on vérifie sur le produit observé. Une alkylation exige l'énolate totalement formé avant l'ajout de l'électrophile (ni cétolisation, ni polyalkylation).