chimie organique 2 (PC) · Chapitre 3 · Exercice de TD

Pourquoi on n'alkyle pas un aldéhyde ; la voie acétoacétique

Création de liaisons carbone-carbone · C. Énols, énolates et acidité en α · niveau 2

Énoncé

A. Un échec instructif. On traite le propanal $CH X_{3} CH X_{2} CHO$ ( $p K_{a} \approx 17$ ) par l'éthanolate de sodium dans l'éthanol ( $p K_{a} (EtOH) = 16$ ), puis par l'iodométhane, dans le but d'obtenir le 2-méthylpropanal. On obtient surtout des produits à six atomes de carbone.

1) Calculer la constante de la déprotonation. Identifier le produit à six carbones formé en premier (masse molaire $116, 16 g mo l^{- 1}$ ), puis celui qu'il donne en perdant une molécule d'eau ( $98, 14 g mo l^{- 1}$ ). Pourquoi l'énolate réagit-il sur le propanal plutôt que sur l'iodométhane ? Le remplacement de l'éthanolate par le LDA règlerait-il le problème ?

B. Alkyler une cétone méthylique par un détour. On veut préparer l'heptan-2-one $CH X_{3} CO (CH X_{2}) X_{4} CH X_{3}$ , c'est-à-dire « la propanone portant un groupe butyle ». On part de l'acétoacétate d'éthyle $CH X_{3} COCH X_{2} CO X_{2} C X_{2} H X_{5}$ ( $p K_{a} = 10, 7$ ; $130, 14 g mo l^{- 1}$ ) :

étape 1 : $13, 01 g$ d'acétoacétate d'éthyle sont ajoutés à un équivalent d'éthanolate de sodium dans l'éthanol, puis on ajoute un équivalent de 1-bromobutane ( $137, 02 g mo l^{- 1}$ ) et l'on chauffe à reflux ;
étape 2 : le produit est chauffé avec de la soude aqueuse, puis la solution est acidifiée ;
étape 3 : on chauffe ; un gaz se dégage, et l'on distille l'heptan-2-one ( $114, 19 g mo l^{- 1}$ ).

Banque de réactions (donnée) : un $β$ -cétoacide se décarboxyle quand on le chauffe, $R - CO - CH X_{2} - CO X_{2} H Δ R - CO - CH X_{3} + CO X_{2}$ .

2) Pourquoi l'éthanolate suffit-il ici ? Pourquoi choisir l'éthanolate plutôt que le méthanolate ou l'hydroxyde de sodium ?

3) Écrire le mécanisme de l'étape 1 et la structure du produit.

4) Écrire les produits des étapes 2 et 3, le bilan de la séquence, et calculer la masse maximale d'heptan-2-one.

5) Cas limite. Que se passe-t-il si l'on emploie, à l'étape 1, deux équivalents d'éthanolate et deux de 1-bromobutane ?

Corrigé

La stratégie. Une alkylation n'est possible que si l'énolate, une fois formé, ne trouve pas de meilleur électrophile que l'halogénoalcane. Un aldéhyde est un excellent électrophile : on le contourne. Pour une cétone, on emprunte un composé plus acide, alkylable proprement, dont on retire ensuite le groupe auxiliaire.

1) L'aldéhyde s'aldolise. $K = 1 0^{16 - 17} = 0, 1$ : une fraction notable, mais pas la totalité, du propanal est déprotonée, et chaque énolate est entouré d'aldéhyde intact. Le carbonyle d'un aldéhyde, peu encombré et peu stabilisé, est bien plus électrophile que l'iodométhane : l'énolate s'y additionne d'abord. On obtient l'aldol, le 3-hydroxy-2-méthylpentanal ( $C X_{6} H X_{12} O X_{2}$ , $116, 16$ ), qui se déshydrate par crotonisation en 2-méthylpent-2-énal ( $C X_{6} H X_{10} O$ , $98, 14$ ) ; deux molécules de propanal s'unissent :

Le LDA ne règle rien : pendant qu'on ajoute l'aldéhyde à la base, chaque énolate formé rencontre l'aldéhyde qui arrive, et l'addition sur ce carbonyle très électrophile est plus rapide que la déprotonation elle-même. Un aldéhyde énolisable ne s'alkyle pas.

2) Un $β$ -cétoester se déprotone totalement. $K = 1 0^{16 - 10, 7} = 2, 0 \times 1 0^{5}$ : la déprotonation par l'éthanolate est quantitative. Le choix de l'éthanolate tient à l'ester : un alcoolate peut attaquer le carbonyle de l'ester (transestérification). Avec l'éthanolate, cet échange redonne l'ester éthylique lui-même : il est sans conséquence. Le méthanolate donnerait un mélange d'esters méthylique et éthylique ; l'hydroxyde saponifierait l'ester dès cette étape, et le carboxylate formé serait bien moins acide (il ne s'alkylerait plus proprement).

3) Une $C$ -alkylation par substitution bimoléculaire. Le carbone central de l'énolate (dont la HO est, comme pour tout énolate, développée sur ce carbone) attaque le carbone qui porte le brome, l'ion bromure part (Et : éthyle ; Bu : butyle) :

Le produit est le 2-acétylhexanoate d'éthyle ( $C X_{10} H X_{18} O X_{3}$ , $186, 25 g mo l^{- 1}$ ).

4) Saponifier, acidifier, décarboxyler. L'étape 2 saponifie l'ester (carboxylate, libérant l'éthanol), puis l'acidification donne le $β$ -cétoacide, l'acide 2-acétylhexanoïque ( $C X_{8} H X_{14} O X_{3}$ , $158, 20$ ). L'étape 3 le décarboxyle (réaction de banque) :

Bilan de la séquence (bilan de matière, en écrivant l'ensemble saponification-acidification comme une hydrolyse) :

$C X_{6} H X_{10} O X_{3} + C X_{4} H X_{9} Br + C X_{2} H X_{5} O X^{-} + H X_{2} O C X_{7} H X_{14} O + CO X_{2} + 2 C X_{2} H X_{5} OH + Br X^{-} .$

Le décompte est juste : carbone $6 + 4 + 2 = 12$ à gauche, $7 + 1 + 4 = 12$ à droite ; hydrogène $10 + 9 + 5 + 2 = 26$ et $14 + 12 = 26$ ; oxygène $3 + 1 + 1 = 5$ et $1 + 2 + 2 = 5$ ; charge $- 1$ de part et d'autre. Avec $n = 13, 01/130, 14 = 0, 1000 mol$ , la masse maximale d'heptan-2-one vaut $0, 1000 \times 114, 19 = 11, 42 g$ (et l'on a employé $13, 70 g$ de 1-bromobutane).

Le groupe ester a servi d'auxiliaire : il a rendu le proton assez acide pour une déprotonation totale par un simple alcoolate, puis il est parti sous forme de $CO X_{2}$ . C'est la « généralisation à d'autres espèces énolisables » que demande le programme : tout groupe attracteur voisin rend un proton acide.

5) Cas limite : la dialkylation. Le produit monoalkylé porte encore un hydrogène sur le carbone central, toujours encadré par deux carbonyles, donc encore acide : un second équivalent de base et d'halogénoalcane le butyle à nouveau. Après saponification et décarboxylation, on obtient la 3-butylheptan-2-one $CH X_{3} COCH (C X_{4} H X_{9}) X_{2}$ . On choisit ainsi, par la stœchiométrie, une ou deux alkylations.

Ce que l'exercice installe. Un aldéhyde énolisable ne s'alkyle pas : son énolate trouve toujours un carbonyle plus électrophile que l'halogénoalcane, et il s'aldolise. Pour alkyler une cétone sans LDA, on emprunte un $β$ -cétoester, déprotoné totalement par l'alcoolate de son propre ester, alkylé par substitution bimoléculaire au carbone, puis saponifié et décarboxylé (réaction donnée). La stœchiométrie fixe le nombre d'alkylations.

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