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ÉCOLE POLYTECHNIQUE ÉCOLE SUPÉRIEURE DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE INDUSTRIELLES CON

ÉCOLE POLYTECHNIQUE ÉCOLE SUPÉRIEURE DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE INDUSTRIELLES CONCOURS D’ADMISSION 2000 FILIÈRE PC COMPOSITION DE CHIMIE (Durée : 4 heures) L’utilisation des calculatrices n’est pas autorisée. L’épreuve comporte deux problèmes indépendants. ⋆⋆⋆ I - Synthèse biomimétique d’un précurseur de la progestérone Pour alléger l’écriture, les candidats pourront ne faire ﬁgurer dans la représentation des molécules que la partie qui intervient dans la réaction considérée, tout en précisant la lettre qui désigne cette molécule. Données Déplacements chimiques (ppm) en RMN de quelques types de protons de molécules orga- niques CH3–C 0,9-1 CH2=C 4,5-6 CH3–C=C 1,6-2,1 –CH=CH–(cyclique) 5,2-6 –CH2–C=0 2,1-2,5 –CH–C=O 2,4-2,8 Les réactions enzymatiques, à la fois par leur ingéniosité et leur grande sélectivité, ont inspiré les chimistes qui ont cherché à les reproduire de manière classique pour synthétiser plus eﬃca- cement des molécules jusqu’alors très diﬃciles à obtenir. Ainsi, des chercheurs ont développé la synthèse d’une hormone, la progestérone, en utilisant comme étape clé la cyclisation électrophile biomimétique du triénynol A en ∆1-5β-pregnen-20-one, B. 146 1. La synthèse de B débute par le chauﬀage du cétoester C, représenté ci-dessous, avec de l’éthane-1,2-diol dans le toluène, en présence d’une quantité catalytique d’acide paratoluènesul- fonique (noté APTS). Le produit D obtenu est alors transformé in situ en composé E : a) Donner la formule semi-développée de D ; préciser la nature de la réaction correspondant à la formation de D, puis détailler son mécanisme. b) Quelle relation d’isomérie existe-t-il entre les produits D et E ? Indiquer de manière simple comment l’utilisation de la RMN proton permettrait d’attribuer à E sans ambiguïté la structure ci-dessus. c) Proposer un mécanisme illustrant la formation de E à partir de D. Pourquoi l’isomère E est-il plus stable que D ? 2. E est ensuite réduit par un excès d’« aluminohydrure de lithium » (LiAlH4) dans l’éthoxyéthane anhydre pour fournir F, de formule brute C10H16O3, qui est déshydraté en présence d’une solution d’acide chlorhydrique à 10 % dans le tétrahydrofuranne (noté THF). Le produit G alors isolé, de formule brute C8H10O, présente en infrarouge une bande intense à 1680 cm−1 et aucune bande au-delà de 3000 cm−1. En RMN proton, on observe en particulier un pic à 5,4 ppm qui intègre pour deux protons, un pic à 5,9 ppm qui compte pour un proton, et un pic singulet à 2,1 ppm intégrant pour trois hy- drogènes. a) Donner la formule semi-développée de F. b) Montrer que les données fournies sont compatibles avec la formation, après hydrolyse de la fonction acétal de F en F’, d’une diénone conjuguée (cétone conjuguée avec deux doubles liaisons éthyléniques) dont on précisera la formule semi-développée, ainsi que le mécanisme de formation. c) Indiquer pourquoi il est nécessaire de protéger la fonction cétone dans la première étape de cette synthèse. 3. L’action d’une quantité équimoléculaire de méthanolate de sodium sur le malonate de dimé- thyle CH2(CO2CH3)2 dans le méthanol donne un réactif H, que l’on fait réagir mole à mole avec G pour obtenir après neutralisation le com- posé I ci-contre. 147 a) Justiﬁer le fait que le malonate de diméthyle possède des hydrogènes à caractère acide. Quel est le réactif H formé ? b) Indiquer les autres sites possibles d’addition nucléophile du réactif H sur la molécule G, et donner les structures des produits qui seraient alors obtenus. c) Par analogie avec la réaction d’addition d’un nucléophile carboné sur une α-énone, proposer un mécanisme expliquant la formation de I. 4. On donne les orbitales moléculaires obtenues par un calcul de Hückel sur G modélisé par la 4,5-diméthylhexan-3,5-dién-2-one, de formule brute C8H12O. Chaque substituant méthyle est décrit dans cette modélisation comme un hétéroatome à deux électrons déﬁni par les paramètres αMe = α + 2β et βC-Me = 0, 7β. L’atome d’oxygène est déﬁni par les paramètres αO = α + β et βCO = β, β étant une grandeur négative. Seuls les coeﬃcients sur l’oxygène et les carbones éthyléniques ont été tabulés ; la numérotation des carbones est celle de la nomenclature. orbitale n ˚ 1 2 3 4 5 6 7 8 E α + 2, 52β α + 2, 36β α + 2, 18β α + 1, 56β α + 1, 18β α + 0, 64β α −0, 35β α −1, 23β O 0,188 0,259 0,036 -0,617 -0,410 0,404 0,319 0,259 C2 0,285 0,353 0,042 -0,347 -0,073 -0,147 -0,429 -0,577 C3 0,258 0,094 -0,061 -0,314 0,280 -0,550 -0,260 0,362 C4 0,364 -0,130 -0,174 -0,143 0,403 -0,202 0,519 0,132 C5 0,312 -0,225 0,165 -0,070 0,435 0,349 0,189 -0,504 C6 0,124 -0,095 0,076 -0,045 0,370 0,549 -0,545 0,411 Énergies et coeﬃcients des orbitales moléculaires π de la 4,5-diméthylhexan-3,5-dién-2-one a) Après avoir précisé la formule semi-développée de la 4,5-diméthylhexan-3,5-dién-2-one, identiﬁer ses orbitales frontières. b) Quelle est l’orbitale à considérer pour étudier la réactivité de cette molécule avec un nucléophile comme l’anion du malonate de diméthyle ? Sur quel carbone se fera préférentiellement l’addition d’un tel nucléophile ? Justiﬁer. c) D’après cette analyse, I est-il le produit majoritaire attendu ? Quel autre facteur peut orienter la réaction vers la formation de ce produit ? 5. Le composé I, d’abord saponiﬁé par une solution de soude, est ensuite chauﬀé en présence d’acide chlorhydrique. Cette réaction qui s’accompagne d’un dégagement gazeux donne naissance au produit J de formule brute C10H14O3. J chauﬀé dans le méthanol en présence d’une quantité catalytique d’APTS engendre la formation de K. a) Schématiser la séquence de réactions qui mène à K. Quelle est la nature du gaz dégagé ? 148 b) Détailler le mécanisme de l’étape au cours de laquelle se produit ce dégagement gazeux. 6. Le groupement cétone de K est ensuite protégé par réaction avec un excès d’éthane- 1,2-dithiol (HSCH2CH2SH) dans le méthanol, en présence de triﬂuorure de bore complexé par l’éthoxyéthane : BF3.(C2H5)2O. Le composé L obtenu (de formule brute C13H20O2S2), possède une grande stabilité à la fois en milieu basique et en milieu acide. Son spectre de RMN du proton présente notamment des déplacements chimiques caractéristiques à 1,7 ppm et 5,6 ppm qui correspondent à deux singulets intégrant dans un rapport 3 :1. a) Sachant que l’éthane-1,2-dithiol donne avec un groupement carbonyle une réaction équivalente à celle de l’éthane-1,2-diol (cf. question 1.a)), en déduire la formule semi-développée du produit L, en accord avec les données RMN ci-dessus. b) Rappeler les structures électroniques des atomes de bore et de ﬂuor. En déduire la formule de Lewis de BF3, ainsi que sa géométrie. Quelle propriété cela met-il en évidence, permettant notamment d’expliquer le type de complexe que BF3 donne avec l’éthoxyéthane ? c) En déduire le rôle de BF3 dans la réaction de protection du groupement cétone de K. d) Quel composé L’ obtiendrait-on par action de l’éthane-1,2-diol en présence d’APTS sur K ? 7. L, après hydrolyse basique à température ambiante, conduit à M qui est chauﬀé dans l’acétate d’éthyle avec une quantité équimoléculaire de (R)-(+)-1-phényléthanamine. Par refroi- dissement, il cristallise un sel N, qui est puriﬁé par trois recristallisations successives. N, dont la conﬁguration absolue des carbones asymétriques est (R, R), est ensuite traité par une solution aqueuse d’acide chlorhydrique pour conduire, après extraction avec de l’acétate d’éthyle, à O qui présente un pouvoir rotatoire spéciﬁque positif. a) Rappeler la signiﬁcation des préﬁxes (R) et (+). Donner la formule topologique de la (R)-(+)-1-phényléthanamine. b) Donner la formule semi-développée de M. Possède-t-il des carbones asymétriques ? Préciser, en justiﬁant, si ce composé est optiquement pur. c) Expliquer pourquoi il est possible d’isoler N cristallisé. Quelle est sa formule topolo- gique ? Pourquoi faut-il puriﬁer N par recristallisation ? d) Quelle est la formule topologique de O ? Comment s’appelle l’opération qui permet d’obtenir O à partir de M ? 8. O est maintenant réduit avec un excès de LiAlH4 dans le THF pour donner P qui est traité par un équivalent de TsCl (chlorure de l’APTS) dans la pyridine pour fournir Q. L’action d’une solution saturée d’iodure de sodium dans la propanone sur Q conduit à R qui, après extraction, est opposé à la triphénylphosphine pour donner naissance à S, de formule brute C30H34IPS2. a) Donner les structures des composés P à S. 149 b) Préciser les mécanismes permettant la transformation de P en Q, et de Q en R. c) Quelle est la nature de la réaction conduisant à S ? Justiﬁer. 9. A une suspension de S dans le THF à basse température est ajouté un léger excès de phényllithium en solution dans le THF, puis une quantité équimoléculaire de l’aldéhyde représenté ci-contre. Un traitement ultérieur (appelé modiﬁcation de Schlos- ser) permet d’obtenir, au lieu du mélange T + T’ attendu, le com- posé T très majoritaire, de formule brute C23H34S2, qui possède deux doubles liaisons de conﬁguration E, et qui est le précurseur direct de la molécule A. Rappeler le nom de la réaction qui conduit à T, puis écrire les équations-bilan correspondant à la formation de T. 10. Après déprotection de la fonction cétone de T, puis réduction, l’alcool A obtenu est agité en milieu acide dans un solvant ionisant pour uploads/Finance/ chimie 2 .pdf