Sujet_Chime moléculaire 1 et 2

2C2142
Ecole Normale Supérieure de Cachan
61 avenue du président Wilson
94235 Cedex CACHAN
Second concours – Admission en Cycle Master
CHIMIE
Session 2012
Épreuve de
CHIMIE MOLÉCULAIRE
Durée : 5 heures
« Aucun document n’est autorisé »
« Aucun dictionnaire n’est autorisé »
L’usage de calculatrice électronique de poche à alimentation autonome, non
imprimante et sans document d’accompagnement, est autorisé selon la circulaire n°99018
du 1er février
1999. De plus, une seule calculatrice est admise sur la table, et aucun échange n’est
autorisé entre les candidats.
Si, au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur d’énoncé,
il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons des
initiatives qu’il est amené à prendre.
Partie 1 – CHIMIE ORGANIQUE
Partie 2 – CHIMIE INORGANIQUE
Le candidat traitera les 2 parties sur 2 copies séparées
1
PARTIE 1 : CHIMIE ORGANIQUE
Synthèse totale de la norzoanthamine
La norzoanthamine fait partie des zoanthamine alcaloïdes d’origine marine possédant
des activités anti-bactéries, anti-inflammatoires et en particulière anti-ostéoporotiques. La
synthèse totale ou la construction du squelette tri- ou tétracyclique de la norzoanthamine a
suscité de nombreux efforts. Nous allons étudier deux synthèses réalisées selon le schéma
retrosynthétique suivant :
I. Synthèse du composé 5 (voie A)
Le composé 5 est synthétisé à partir du β-cétoester 9 selon le schéma réactionnel cidessous :
O
??
O
1. Tf 2O, LiOH, 5 à 10 °C
OEt
CO2Et
9
O
??
OH
O
10
11
2. MeMgBr, THF, -30 °C
CO2Et
O
O
??
CO2Et
12
5
CO2Et
Tf2O : ( CF3SO2)2O
a. Proposer de(s) réactif(s) pour la formation de 10 à partir de 9.
b. Donner la structure du composé 11.
2
c. Proposer de(s) réactif(s) pour la formation de 12 et 5 à partir de 11 et 12
respectivement (les conditions pour le contrôle de la stéréosélectivité lors de la
formation de 5 ne sont pas demandées).
II. Synthèse du composé 6
Le composé 6 est préparé à partir du céto-diester 13 selon le schéma ci-dessous :
a. Proposer des réactifs pour la formation de 14 en deux étapes.
b. L’action du MnO2 sur le composé 14 conduit à la formation de la lactone 15.
Expliquer cette transformation ainsi que la chimiosélectivité observée.
c. Proposer de(s) réactif(s) pour la formation de 16 et 17.
d. Donner la structure du composé 18.
e. Proposer un mécanisme pour la formation de 6 à partir de 18.
III. Synthèse du tétracycle 3
La synthèse du tétracycle 3 est réalisée selon le schéma suivant à partir des deux
précurseurs 5 et 6 :
a. Proposer de(s) réactif(s) pour la formation de l’aldéhyde 19 à partir de 5.
b. L’aldéhyde 19 réagit ensuite avec le diazoacétate d’éthyle et le SnCl2 (réaction de
Roskamp qui transforme un aldéhyde à un β-cétoester : RCHO RCOCH2CO2Et).
Donner la structure du composé 20.
c. Le composé 20 réagit ensuite avec le 6 pour donner le composé 21. Comment peut-on
qualifier cette transformation ? Avec quel(s) réactif(s) ? Proposer des conditions
précises permettant cette transformation.
d. Proposer de(s) réactif(s) pour l’obtention du composé 22.
3
e. Le chauffage du 22 dans le toluène au reflux conduit au composé 4. Proposer un
mécanisme pour cette réaction.
f. Proposer un mécanisme (en dessinant l’état de transition, en vous référant à la
conformation de la norzoanthamine indiquée en page 2) pour la formation de 3 à partir
de 4.
IV. Synthèse de la norzoanthamine par la voie B
La synthèse totale de la norzoanthamine par la voie B a été réalisée via l’intermédiaire
tricyclique 8, préparé à partir d’autres synthons. Nous allons étudier certaines réactions de
transformation du composé 8 à la molécule cible selon le schéma ci-dessous :
AcO
AcO
H
O
AcO
H
O
K-sélectride
8
OTBS
??
0 °C
CO2Me
H
H
OH
K-sélectride
-78 °C
H
AcO
H
H
O
H
O
23
TESO
1. Ti(OEt)4, PhCH3, 100 °C
O
H
O
H
H
O
24
OTBS
??
Ph3PCH3Br, KOtBu
26
2. TESOTf, 2,6-lutidine
O
25
TESO
H
O
H
H
OTBS
??
28
THF
H
(NH4)6Mo7O24
Bu4NCl, THF
H
H
29
TESO
OTBS
??
30
H
O
27
TESO
OH
H
OH
TESO
H
OTBS
??
OH
H
OTBS
??
K2CO3, H2O2
H
H
31
TESO
OTBS
OTBS
34
OMe
O
37
H
NBoc
O
O
O
NBoc
O
O
36
OTBS
H
O
OH
OTBS
OMe
OMe
O
??
H
H
33
O
O
H
H
OMe
??
H
O
OMe
H
35
HO
H
O
OTBS
2. DBU, 60 °C
OTBS
H
OTBS
H
OTBS
H
H
1. Tf2O, 2,6-lutidine
H
H
H
32
O
TESO
H
??
TESO
OLi
H
O
38
H
H
OMe
BocN
O
39
H
OMe
BocN
O
O
??
norzoanthamine
H
40
H
OMe
CO2Me
BocN
O
K-sélectride : KBH(sec-Bu)3 ; TES : Et3Si- ; Boc : tBuOCO- ; 2,6-lutidine : 2,6-diméthylpyridine ; DBU : 1,8-DiazaBicyclo[5.4.0]Undéc-7-ène
4
a. L’action du K-sélectride sur le composé 8 à -78 °C conduit à l’intermédiaire 23 qui se
transforme en 24 à 0°C. Expliquer la formation du 23 ainsi que la régio- et la
stéréosélectivité de la réduction sous l’action du K-sélectride, en dessinant la
conformation du composé 8.
b. Proposer de(s) réactif(s) permettant la formation du composé 25.
c. Donner la structure du composé 26.
d. Proposer des conditions réactionnelles permettant la formation du composé 27.
e. Donner la structure du composé 28.
f. Proposer de(s) réactif(s) permettant la formation du composé 29.
g. Les réactifs (NH4)6Mo7O24/H2O2/K2CO3/Bu4NCl oxydent sélectivement les alcools
secondaires en cétone sans toucher les alcools primaires. Donner la structure du
composé 30.
h. Comment peut-on transformer le composé 30 en 32 en passant par l’intermédiaire 31 ?
i. Proposer des réactifs permettant la formation des composés 33 et 34.
j. Proposer un mécanisme pour la formation de 35 à partir de 34.
k. Le composé 35 réagit ensuite avec l’aldéhyde 36 pour conduire au composé 37.
Quelles sont les conditions opératoires permettant cette transformation ?
l. Préciser les réactifs nécessaires à la formation de 38 à partir de 37 en deux étapes.
m. Proposer des réactifs permettant la formation du composé 39 à partir de 38 en 2 étapes.
n. Proposer de(s) réactif(s) permettant la formation du composé 40.
5
PARTIE 2. CHIMIE INORGANIQUE
Il est conseillé de lire l’énoncé intégralement avant de commencer. Les différentes parties
sont indépendantes et peuvent être traitées séparément. Les données utiles sont réunies à la
fin de l’énoncé.
Problème I: Palladium et procédé Wacker
Le procédé Wacker est un procédé industriel qui permet l'oxydation des alcènes en composés
carbonylés. Ce procédé, découvert à la fin de années 1950, permet notamment de produire
l'acétaldéhyde à partir de l'éthylène dans l'eau selon la réaction ci-dessous.
+1/2 O2
O
H
CH3
Cette réaction est catalysée par un complexe de palladium. Dans ce problème nous allons
nous intéresser à la description de la liaison métal-éthylène.
On donne l'énergie des orbitales de valence du Pd: 5s: -7.5 eV; 5p: - 3.9 eV et 4d: - 12.5 eV
On donne l'énergie des OM π de l'éthylène: -13.2 eV et -8.2 eV
Etude du complexe [PdCl4]2Le complexe [PdCl4]2- est plan-carré (symétrie D4h). On considère que Cl- est un ligand σdonneur pur et on négligera donc les interactions de type π.
1) Donner la configuration électronique du palladium, Pd.
2) Quel est le degré d'oxydation du palladium dans le complexe [PdCl4]2- ?
3) Pour quelles représentations irréductibles du groupe D4h, les orbitales 4d, 5s et 5p du métal
forment-elles des bases ?
4) Donner les combinaisons des orbitales des ligands formant des bases pour les
représentations irréductibles du groupe D4h. On ne considèrera que les orbitales de valence
impliquées dans une liaison σ avec le métal ("orbitales σ").
5) Représenter ces combinaisons d'"orbitales σ". On s’aidera de la symétrie des orbitales d, s
et p du métal.
6) Le diagramme des Orbitales Moléculaires (OM) simplifié d'un complexe ML4 en symétrie
D4h est représenté sur la figure 1. Ce diagramme a été construit en ne considérant que les
orbitales 4d et 5s du métal et en ne considérant que les interactions de type σ. Parmi ces
orbitales moléculaires, identifier celles qui ont un fort caractère d'orbitales d du métal et les
représenter. Placer les électrons dans le diagramme.
7) Expliquer pourquoi la règle des 18 électrons n'est pas respectée dans un complexe ML4
plan-carré.
6
3a1g
ligands
Pd
a1g
2b1g
2a1g
a1g b1g
b2g eg
eg, b2g
b1g
eu
a1g
eu
1b1g
1a1g
Figure 1. Diagramme des Orbitales Moléculaires (OM) simplifié d'un complexe ML4 en symétrie D4h
L'éthylène et le complexe [PdCl3(C2H4)]8) A partir du diagramme obtenu à la question 6, construire le diagramme des OM de [PdCl3]obtenu en éloignant un ligand chlorure du métal. On ne considèrera que les OM à fort
caractère métallique et on gardera pour [PdCl3]- les mêmes axes que pour [PdCl4]2-.
Représenter ces OM et placer les électrons.
9) Dessiner les O.M. du système π de l'éthylène.
10) L'éthylène va se fixer sur le complexe de la façon représentée Figure 2. Expliquer
brièvement pourquoi les OM σ de l'éthylène ne participent pas à la liaison au métal.
-
Cl
Cl
Pd
H
H
H
H
Cl
Figure 2: fixation de l'éthylène sur [PdCl3]-.
11) En utilisant des considérations de symétrie simples, quelles sont les orbitales à fort
caractère d qui vont interagir avec le système π de l'éthylène ?
12) Construire le diagramme des OM résultant de l'interaction entre [PdCl3]- et l'éthylène. On
ne considérera que le système π de l'éthylène. Placer les électrons.
13) Représenter ces OM. La liaison C=C de l'éthylène est-elle renforcée ou affaiblie par la
liaison au Pd ?
14) Le procédé Wacker
Au cours de l'oxydation de l'éthylène il est observé que:
• L'oxygène de l'acétaldéhyde provient de l'eau
• L'éthylène se lie au métal en déplaçant un chlorure
• Après oxydation de l'éthylène, le palladium est au degré d'oxydation 0
• Le dioxygène sert à régénérer le catalyseur dans son état natif (DO initial)
Proposer un mécanisme possible en tenant compte des données ci-dessus.
7
Problème II: Propriétés de complexes de Chrome
Dans l'énoncé suivant : bpy représente la 2,2'-bipyridine et ox représente l'oxalate (C2O42-)
(voir figure 3).
bpy
N
-O
O
N
-O
O
ox
Figure 3. Structure des ligands bpy et ox
Questions générales
1) Donner la configuration électronique et le terme spectroscopique fondamental de l'ion libre
Cr(III).
2) Représenter la levée de dégénérescence des orbitales d en symétrie octaédrique. Donner le
terme spectroscopique fondamental d'un ion Cr(III) en symétrie octaédrique.
3) On considère deux complexes [MF6]3-. Lorsque M=Cr, le complexe a une géométrie proche
de l’octaèdre parfait avec des liaisons Cr-F d’environ 1.9 Å. Lorsque M=Mn le complexe a
une géométrie octaédrique déformée avec quatre liaisons Mn-F d’environ 1.9 Å, et deux
d’environ 2.1 Å. Expliquer ces différences de structure.
4) On considère le complexe [Cr(H2O)2(ox)2]- dans lequel les oxalates se lient de façon
bidente au métal. Représenter les différents isomères du complexe [Cr(H2O)2(ox)2]- en
donnant la nomenclature pour les énantiomères.
Propriétés optiques
5) Les complexes [Cr(H2O)6]3+ et [Cr(NH3)6]3+ sont caractérisés par des maxima d'absorption
aux énergies représentées dans le tableau suivant:
[Cr(H2O)6]3+
[Cr(NH3)6]3+
ν1 en cm-1 ν2 en cm-1 ν3 en cm-1
17000
24000
37500
21550
28500
?
Interpréter les bandes observées, à l'aide du diagramme de Tanabe-Sugano.
6) Déterminer le paramètre de champ cristallin Δ0 et le paramètre B' pour les deux complexes
à l'aide de ces données. Comparer et commenter les valeurs obtenues. On donne B pour
lion libre CrIII 1030 cm-1.
Propriétés magnétiques
7) Le composé de formule [Cr(bpy)(ox)2](AsPh4) a été obtenu sous forme de poudre. Quelle
doit être valeur du produit χΜ.T/(4π10-6) à température ambiante pour une telle espèce
magnétiquement isolée ? Quelle doit être la variation de χΜ.T quand la température
diminue ? On considèrera gCr = 2.
8) A partir du complexe [Cr(bpy)(ox)2]-, des complexes hétéro-bimétalliques ont été préparés.
La structure d'un complexe CrIIICuII est schématisée figure 4 (l'environnement et les
ligands des métaux sont omis). On considère le chrome dans une géométrie octaédrique et
8
le cuivre dans une géométrie dérivée de l'octaèdre avec une élongation des liaisons axiales
(symétrie D4h). Représenter le diagramme d’énergie des orbitales 3d du cuivre en prenant
l’axe z comme représenté figure 4 et les axes x et y en direction des ligands (on
considérera un octaèdre avec les liaisons axiales étirées). Quelle est la configuration
électronique du Cu(II) ? Quelle orbitale contient l’électron célibataire ?
z
OH2
O
O
O
CrIII
CuII
O
Figure 4. Schéma d'un complexe hétérobimétallique CrIIICuII
9) L’hamiltonien phénoménologique de spin décrivant l’interaction d’échange s'écrit:
H = !JŜCr .ŜCu où SCr et SCu représentent les spins locaux et J la constante d’échange. Quels
sont les spins des niveaux issus d’une telle interaction ?
10) Exprimer les énergies des états en fonction de J. Quelle est la différence d'énergie entre
les états en fonction de J?
11) On obtient J=+1.5 cm-1. Quelle est la nature du couplage entre les ions métalliques ?
12) Quelle valeur de χΜ.T/(4π10-6) doit on atteindre à haute température ? Quelle valeur doitelle atteindre à basse température ? On calculera ces valeurs en prenant g=2 dans tous les
cas. Schématiser la courbe χΜ.T/(4π10-6) en fonction de la température pour cette
interaction.
13) Comment expliquer la nature du couplage entre les ions métalliques ? On proposera un
bref raisonnement en considérant les orbitales magnétiques.
Problème III. Transfert d'électron intramoléculaire dans la Nitrite Réductase
La Nitrite Réductase catalyse la réaction de réduction mono-électronique des nitrites selon le
bilan suivant:
NO2- + e- + 2H+
NO + 2 H2O
La Nitrite Réductase possède deux sites à cuivre différents nommés respectivement type 1
(T1) et type 2 (T2) distants d'environ 12 Å. Le centre T1 est constitué à l'état natif d'un ion
Cu(II) coordiné à deux histidines, une cystéine et une méthionine. Le centre T2 est constitué
d'un Cu(II) lié à 3 histidines (voir figure 5).
(Cys)S
N(His)
(His)N
Cu
S(Met)
Cu
N(His)
(His)N
T2
N(His)
T1
12 Å
Figure 5. Représentation schématique des sites métalliques de la Nitrite Réductase.
9
L'enzyme reçoit des électrons de son partenaire physiologique. Le site T1Cu(II) est alors
réduit en T1Cu(I). Un transfert d'électron intramoléculaire a ensuite lieu et la réduction du
nitrite se produit au niveau du site T2. Dans ce problème, nous allons nous intéresser aux
processus de transfert d'électrons.
Données utiles: F=96500 C.mol-1 et R = 8,31 J.mol-1.K-1.
Etude du transfert d'électron intramoléculaire
Le transfert d'électron intramoléculaire a lieu entre le site T1 et le site T2 de l'enzyme. On
considère donc la réaction suivante :
k1
T1Cu(I)---T2Cu(II)
k-1
T1Cu(II)---T2Cu(I)
1) Le transfert d'électron peut être suivi grâce aux propriétés optiques du site T1 à l'état oxydé
qui possède une intense absorption vers 600 nm. Exprimer la variation de concentration du
site T1 oxydé en fonction des constantes k1 et k-1. Exprimer également la variation de
l'absorbance à 600 nm en fonction des constantes k1 et k-1 et de ε, le coefficient d'extinction
molaire à 600nm.
2) Avant le début de l'expérience, l'enzyme totalement oxydée possède une absorbance à 600
nm de 0,2. Après réduction à un électron puis transfert intramoléculaire, l'absorbance à 600
nm est 0,14. Calculer la constante d'équilibre pour cette réaction de transfert d'électron.
Exprimer cette constante d'équilibre en fonction de k1 et k-1.
3) Par analyse de la variation de l'absorbance on obtient une constante apparente à 298K kobs=
2480 s-1. Calculer k1 et k-1.
4) Quelle est la différence de potentiel redox entre les sites T1 et T2 ? Le potentiel redox du
site T1 est 0,213 V vs. NHE. Calculer le potentiel redox du site T2.
5) Le transfert d'électron est-il quantitatif ? La Nitrite Réductase réalise cependant
efficacement la réduction de nitrites. Proposer une explication.
Paramètres influençant la vitesse de transfert d'électron
La théorie permet de prédire que la vitesse de transfert d'électron entre un donneur et un
accepteur à distance fixe dépend, entre autres, de la différence d'enthalpie libre (ΔG°) entre le
donneur et l'accepteur et de l'énergie de réorganisation consécutive au transfert d’électrons
(λ). La constante de vitesse peut s'exprimer ainsi :
1 ("G 0 + ! )2
kET = C.exp(!
) . C étant une constante.
RT
4!
6) Représenter les variations d'enthalpie libre des réactifs et des produits en fonction d'une
coordonnée de réaction, dans le cas d'une réaction de transfert d'électron. On considérera des
potentiels harmoniques. Représenter sur ce schéma les grandeurs ΔG° et λ.
7) Des mutants de la Nitrite Réductase ont été préparés. Dans ces derniers, la méthionine liée
au cuivre T1 a été remplacée par une histidine. Les données obtenues sont représentées dans
le tableau ci-dessous. Calculer ΔG° pour chacune des enzymes (1 et 2) en kJ.mol-1.
Mutant
1
2
Enzyme native
méthionine→histidine
E° T1
CuII/CuI
en mV
213
104
kobs en s-1
à 298K
2480
2350
10
8) On donne λ=1.12 eV dans le cas de l'enzyme native (1). Si le potentiel redox du centre T1
est le seul facteur affecté par les mutations, quelle devrait être la vitesse observée pour 2?
Commenter.
9) On sait que dans le mutant 2, l'histidine se coordonne au métal à la place de la méthionine.
Quelle tendance attend-on pour λ d'après les données expérimentales ? Que peut-on dire sur
l'importance de la méthionine dans ce processus de transfert d'électron?
ANNEXES:
Loi de Curie :
! M .T =
µ 0 .N A ." 2 2
.g .S(S +1)
3.k
µ 0 .N A .! 2 1
= .4" .10 !6 m3.mol-1.K
Et
8
3k
11
Table de caractère du groupe D4h
Corrélation entre groupes
R3
S
P
D
F
G
O
A1
T1
E + T2
A 2 + T1 + T2
A 2 + E + T1 + T 2
12
Diagramme de Tanabe-Sugano pour un ion d3
13