2008 - Université de Genève

Projet N°3
Synthèse du 2-methyl-2cyclohexènone
Costantino Marc
avril 2008
Université de Genève
Projet N°3 ....................................................................................................................... 1
Synthèse du 2-methyl-2cyclohexènone ................................................................... 1
But du projet :................................................................................................................ 3
1) Première partie de la synthèse : ......................................................................... 3
1.1) Réactifs ............................................................................................................... 3
1.2) Mécanisme détaillé : ........................................................................................ 4
1.3) Manipulations : .................................................................................................. 4
1.4) Résultats :............................................................................................................ 5
1.5) Analyse RMN :.................................................................................................... 5
2) 2ème partie de la synthèse : .................................................................................... 7
2.1) Réactifs : ............................................................................................................. 7
2.2) Mécanisme détaillé : ........................................................................................ 8
2.3) Manipulations : .................................................................................................. 9
2.4) Résultats :............................................................................................................ 9
2.5) Analyse RMN :.................................................................................................... 9
ème
3
partie de la synthèse :....................................................................................... 11
3.1) Réactifs : ........................................................................................................... 11
3.2) Mécanisme détaillé : ...................................................................................... 12
3.3) Manipulations : ................................................................................................ 13
3.4) Résultats :.......................................................................................................... 13
3.5) Analyse RMN:................................................................................................... 13
4) Autre méthode de synthèse:............................................................................ 14
5) Conclusion:.......................................................................................................... 15
6) Exercices:............................................................................................................. 15
6.1) Question 1 :................................................................................................... 15
6.2) Question 2..................................................................................................... 15
7) Références .......................................................................................................... 16
But du projet :
Ce projet a pour but de synthétiser du 2-methyl-2-cyclohexèneone à partir du
2méthylcyclohexanol, en passant par 2-méthylcyclohexanone puis par le 2chloro-2méthylcyclohexanone.
1) Première partie de la synthèse :
La première étape de ce projet consiste à oxyder le groupement alcool de
notre molécule de départ en groupement cétone à l’aide d’un réactif à
base de chrome.
Voici la réaction globale :
OH
O
CH3
CH3
2-methylcyclohexanol
2-methylcyclohexanone
1.1) Réactifs
Produit
Acide suflurique
Na2Cr2O7*2H20
N°CAS
[7664-93-9]
[7664-38-2]
Formule
H2SO4
H3PO4
MM (g/mol)
98.08
89
Quantité (g,mmol)
Inflammabilité
Toxicité
Irritation de la peau
Types de gants à utiliser
Dangereux par inhalation
Cancérigène
Autres dangers
Références biblio
Toluène
[108-88-3]
C6H5CH3
92.14
400mL
2-methylcyclohexanol
[25639-42-3]
C7H14O
114.19
33.5g
2.5mL
non
oui Fp: 76°C
oui, fp : 4°C
oui Fp: 123°C
2
oui, très
dangereux
4
4
non
4
latex
oui
oui
Latex
non
dangereux par
ingestion, pour
les yeux
,attaque les
tissus
oui
effet cancérigène
soupçonné
dangereux par
ingestion, pour les
yeux, pour les
environnements
aquatiques
Fluka 05-07
Fluka 05-06
10g
Oui
nitrile
oui
nitrile
oui
non
non
éviter le
contact avec
les yeux
dangereux par
ingestion, pour les yeux
Fluka 05-06
Fluka 05-07
1.2) Mécanisme détaillé :
O
Dichromate de sodium
Na2Cr2O6
H
+
Cr
OH
3-
HO
O
acide chromique
OH
O
O
CH3
+
Cr
3-
OH
O
Cr
HO
O
3-
+
OH
H2O
O
CH3
O
H
H2O
O
3-
Cr O
O
CH3
3-O
Cr
O
OH
O
+
OH
CH3
HO
Cr
-
O
Le 2-méthylcyclohezanol est oxydé en 2-méthylcyclohexanone.
L'oxydant utilisé est le chrome (VI) sous la forme d'acide chromique. Le
mélange de Na2Cr2O7, d'acide sulfurique concentré et d'acide acétique
forme l'acide chromique: H2CrO4. Cet oxydant formé permet d’obtenir des
cétones à partir d’alcool secondaires. On peut observer le passage du
chrome VI en (orange) au chrome IV (vert). La solution d’acide chromique
avait même tendance à prendre une couleur rougeâtre avant la réaction,
ce qui est probablement dû à la formation de polychromates.
1.3) Manipulations :
On prépare un montage pour une réaction d’addition. :
250
200
150
100
50
On prépare 45.7g de methylcyclohexanol que l’on dissout dans 400mL de
toluène. La solution est versée dans le ballon tricol. On prépare ensuite 45.8g
de dichromate de sodium dihydraté que l’on dissous dans 115mL d’eau
auquel on ajoute 20mL d’acide acétique froid et 65mL d’acide sulfurique
96%. Cette deuxième solution est transférée dans une ampoule à addition. Le
ballon récepteur est refroidi à 10°C. On procède ensuite à l’addition sur une
période de 45min avec agitation. La réaction d’oxydation est très
exothermique, il a donc fallut refroidir le ballon tout au long de l’addition. Le
mélange prend une couleur brunâtre. Une fois l’addition terminée, on laisse le
tout agiter durant une nuit à température ambiante.
La solution a viré au vert-bleu, on sépare la phase organique et on extrait la
phase aqueuse avec 3 fois 40mL de toluène. Les phases organiques réunies
sont lavées avec 2 portions de 50mL d’eau, 2 portions de 40mL de NahCO3
saturé et 2 portions de 40ml de solution NaCl saturée. On sèche la phase
organique avec du MgSO4 anhydre, on filtre et on évacue le solvant à
l’évaporateur rotatif. La solution restante est distillée sous pression réduite. Le
produit sort à 55°C à 25mmHg. A pression ambiante la température
d’ébullition du produit se situe aux alentours de 162-163°C.
1.4) Résultats :
Masse réactif initial (g)
Masse échantillon final (g)
Rendement (%)
45.7
18.5g
40.5
aspect de l’échantillon
Liquide jaunâtre transparent
Les résultats sont quelque peu décevants. Le faible rendement est
probablement causé par la perte de produit durant les extractions. En effet,
les phases se séparaient très difficilement et le produit de synthèse semblait
être légèrement soluble dans la phase aqueuse. Une analyse H-RMH a été
réalisée afin de prouver l’existence du produit de synthèse désiré ainsi que sa
pureté.
1.5) Analyse RMN :
L’analyse de ce spectre (fournit en annexe) peut paraitre simple à première
vue mais se révèle relativement complexe. En effet, le cycle non aromatique
est figé par la présence du groupement méthyl. Le basculement d’une forme
à une autre se retrouve bloquée par une barrière d’activation non
négligeable. Ce figement provoque une différenciation magnétique entre les
hydrogènes du cycle. Soulignons également la présence d’un centre stéréo
gène portant le groupe méthyl et l’hydrogène 2’.
On remarque tout d’abord, la présence des trois hydrogènes du groupement
méthyl aux alentours de 1.03ppm sous la forme d’un doublet. En effet, les
hydrogènes du méthyl ressentent l’hydrogène 2 du carbone voisin. Le
déplacement, l’intégrale de 3 ainsi que la forme du pic confirme la présence
de ces hydrogènes. On attendait un doublet vers 1.1ppm.
On remarque ensuite un multiplet aux alentours de 2.25 et 2.45 ppm. Ces pics
correspondent à l’hydrogène 2’. Sa proximité aux groupements carbonyle et
méthyle implique un fort déblindage. En effet, c’est l’hydrogène le plus
déblindé du spectre. Ce multiplet est superposé au multiplet voisin et la
somme des pics intègrent pour 3 protons dont l’hydrogène 2’.
Les deux autres protons intégrés par ce double multiplet sont les hydrogènes 6
et 6’. On les attendait très déblindés et ils le sont. Leur proximité à l’oxygène
est la cause de ce déblindage. Théoriquement, le proton 2’ devrait être plus
déblindé que les 6 et 6’, cependant je ne me risquerais pas à une attribution
précise des 3 protons sur ce multiplet conjugué car de nombreuses
interactions entre en compte au sein de cette molécule.
L’attribution des autres hydrogènes est beaucoup plus compliquée.
On attendait les protons 3 et 3’ sous la forme d’un multiplet entre 1.63 et
1.88ppm mais ces derniers sortent entre 2.03 et 2.13ppm. Ces protons sont
situés à une plus courte distance des groupes méthyl et cétone et c’est pour
cette raison qu’ils sont plus déblindés que les hydrogènes 44’ et 55’.
Le multiplet intégrant pour 2 protons entre 1.8 et 1.9ppm, le multiplet intégrant
pour 2 protons entre 1.6-1.75ppm et celui intégrant pour 1 proton compris
entre 1.33 et 1.44ppm prouvent bien la présence des 4 autres hydrogènes du
cycle. Concernant leur attribution exacte, elle ne peut être que théorique. En
effet, les hydrogènes 4 et 4’ devraient être plus déblindés ces derniers sont les
plus éloignés de la cétone.
Le produit est relativement propre malgré la présence d’une très faible
quantité de toluène (7.15-7.3) très difficile à éliminer et d’une très faible
portion d’acétone sortant à 2.18ppm.
Pour conclure cette analyse on remarquera que le pic large et arrondi du
groupement alcool n’est plus présent sur le spectre de notre produit, ce qui
prouve bien que la réaction a fonctionné. Les données sont résumées dans le
tableau ci-dessous :
O
5'
2
66'
H
1
4H
5 H
33'
55'
3'
H
O
H
CH3
1
H
H 3
6' H
2'
4' H
44'
6
6ppm
attribution expérimental
6ppm
théorique
intégrale multiplicité
1
1.03
1.16
3
2'
entre 2.25 et 2.45
2.39
1
multiplet
33'
entre 2.03 et 2.13
1.63-1.88
2
multiplet
44'
entre 1.33 et 1.9
1.75-1.85
2
multiplet
55'
entre 1.33 et 1.9
1.78-1.81
2
multiplet
66'
entre 2.25 et 2.45
2.17-2.27
2
multiplet
doublet
type
H
aliphatiques
H
aliphatiques
H
aliphatiques
H
aliphatiques
H
aliphatiques
H
aliphatiques
2) 2ème partie de la synthèse :
Réaction générale :
2.1) Réactifs :
Produit
N°CAS
Formule
MM (g/mol)
Quantité (g,mmol)
Inflammabilité
Toxicité
Irritation de la peau
Chlorure de sulfonyl
[7791-25-5]
Tetrachlorure de carbone
[56-23-55]
SO2Cl2
134.97
11.5mL
non
1
oui
CCl4
153.82
83.5mL
non
1*
oui
Types de gants à utiliser
Dangereux par inhalation
Cancérigène
nitrile
oui
effet suspecté
provoque de graves brûlures,
réagit violament avec l'eau
Fluka 05-06
Autres dangers
Références biblio
latex
oui
effet suspecté
dangereux par ingestion,
pour les yeux, pour les
environnements
aquatiques, pour la
couche d'ozone
Fluka 05-07
2.2) Mécanisme détaillé :
H
O
O
O
CH3
CH3
Cl
+
S
O
Cl
O
O
Cl
CH3
Cl
CH3
O
H
S
S
O
O
O
Cl
Cl
-
O
O
CH3
Cl
Cl
Cl
H3C
+
+
S
O
majoritaire
+
O
minoritaire
Dans cette réaction, le dichlorure de sulfure réagit avec le 2méthylcyclohexanone pour former le 2-cholro-2-méthylcyclohexanone.
L’halogénation se forme sur le carbone le plus stable, c'est-à-dire le plus
substitué. Le carbone portant le groupement methyl est le plus substitué, c’est
donc sur lui que vient se fixer l’atome de chlore. Une chloration sur le carbone
situé de l’autre coté de la cétone est également possible mais beaucoup
moins probable. La synthèse aboutirait dans ce cas au deuxième produit
illustré ci-dessus.
2.3) Manipulations :
La deuxième partie de cette expérience débute encore une fois par une
addition. On prélève 14.4g de 2-méthylcyclohexanone précédemment
synthétisé et on le place dans un ballon tricol. On y ajoute 63.7mL de CCl4 .
On remplit ensuite notre ampoule à addition avec 11.5mL SO2Cl2 et 19.8mL
de CCl4. On réalise un piège à gaz que l’on raccorde à notre ballon. Ce
piège est constitué de deux… relié l’un à l’autre Le premier sert à récupérer le
produit dans l’éventualité où celui-ci s’échappe du ballon, tandis que le
deuxième contient une solution basique de NaOH servant à neutraliser les
vapeurs d’HCl. On peut remarquer que durant l’addition, une grande
quantité de gaz s’échappe du ballon.
L’addition est réalisée dans un bain d’eau sur une période de 60 minutes sous
agitation. Le mélange est ensuite agité durant une nuit. Une fois la réaction
terminée, on récupère la solution devenue jaunâtre et on la lave avec 3
portions de 20mL d’eau puis trois fois avec 10mL de NaHCO3 saturé et
finalement avec trois doses de 10mL de NaCl. La solution est séchée avec du
MgSO4 anhydre puis filtrée. On évacue le solvant à l’évaporateur rotatif. La
pression est maintenue à des valeurs très basses durant deux heures. Le CCl4
est facilement séparé et pour cette raison le produit n’a pas été distillé.
2.4) Résultats :
Masse réactif initial (g)
Masse échantillon final (g)
Rendement (%)
14.4
12
83.3
aspect de l’échantillon
Liquide jaunâtre transparent
Le rendement est très élevé est très proche de la valeur théorique du
rendement maximal (85%). Le fait que le produit n’a pas été distillé implique
qu’une très faible quantité de solvant doit être présente. Une analyse RMN au
H1 ne dévoile malheureusement pas la présence de solvant.
2.5) Analyse RMN :
De nombreux multiplets ainsi que leurs intégrales se chevauchent, ce qui rend
l’analyse de ce spectre relativement compliquée.
Il faut savoir que le produit de la deuxième étape est très semblable à celui
de la première. En effet, l’unique différence entre les deux structures est
l’absence d’un hydrogène (2’) qui s’est vu remplacer par un atome de
chlore. Ainsi nous retrouvons les 3 hydrogènes du groupement méthyl à
1.63ppm présents cette fois sous la forme d’un singulet dont l’intégrale vaut 3.
L’hydrogène 2’ n’est dédouble pus le signal.
On retrouve ensuite les hydrogènes 6 et 6’ représentés par le multiplet sortant
entre 2.35ppm et 2.5ppm intégrant pour 2 protons. Théoriquement, cela
devrait être les hydrogènes les plus déblindés.
On trouve cependant l’hydrogène 3’ entre 3.04 et 3.09 sous la forme d’un
doublet de triplet. Rappelons-nous que la molécule contient un carbone
asymétrique et les protons 3 et 3’ sont situés en alpha de ce centre
stéréogènique. Ainsi, ces 2 protons sont magnétiquement différents.
L’hydrogène 3’ ressent les protons 4 et 4’ ce qui donne un triplet, puis, ce
signal est dédoublé par le proton 3, ce qui nous donne notre doublet de
triplet. Ce proton est très déblindé par le chlore situé aussi en position
équatorial.
On retrouve ensuite logiquement les hydrogènes 3, 55’ et 44’ sortant entre
1.67 et 2.12ppm sous la forme de multiplets. La somme des intégrales vaut 5.
On suppose le proton 3 plus déblindé que les autres en raison de sa proximité
à la cétone, on suppose également les protons 5 et 5’ plus déblindés que les
4 et 4’ pour la même raison.
La somme des intégrales nous confirme la présence de 11 hydrogènes ce qui
prouve la réussite de la synthèse.
Le produit est relativement propre malgré la présence d’une très faible
quantité d’eau dont le pic est caché derrière celui du méthyl (1.63ppm) et
d’acétone (2.1ppm) provenant du tube RMN.
O
5'
1
H
4'
Cl
66'
44'
6
CH3
1
H 3
4 H
O
H
H
5H
33'
55'
3'
H
H
6'
Cl
6ppm
attribution expérimental
6ppm
théorique
intégrale multiplicité
1
1.63
1.79
3
3'
entre 3.04 et 3.09
2.13
1
multiplet
3
entre 1.67 et 2.12
1.88
1
multiplet
44'
entre 1.67 et 2.12
1.75-1.85
2
multiplet
55'
entre 1.67 et 2.12
1.78-1.81
2
multiplet
66'
entre 2.29 et 2.33
2.22
2
multiplet
singulet
type
H
aliphatiques
H
aliphatiques
H
aliphatiques
H
aliphatiques
H
aliphatiques
H
aliphatiques
3ème partie de la synthèse :
Réaction générale :
3.1) Réactifs :
Produit
diméthylformamide
chloride de lithium
N°CAS
[68-12-2]
[7447-41-8]
Formule
C3H7NO
LiCl
MM (g/mol)
73.09
42.39
Quantité (g,mmol)
27mL
2.51g
Inflammabilité
non
non
Toxicité
2
2
Irritation de la peau
oui
oui
Types de gants à utiliser
nitrile
latex
Dangereux par inhalation
oui
non
Cancérigène
non
Autres dangers
non
Dangereux pour les yeux,
peut provoquer des fausses
couches chez la femme
enceinte
dangereux
par
ingestion, pour les
yeux
Références biblio
Fluka 05-07
Fluka 05-06
3.2) Mécanisme détaillé :
Dans cette réaction,
le 2-chloro-2-méthylcyclohexanone subit une
élimination pour
former la 2-méthyl-2-cyclohexènone.
La première étape est la coordination du diméthylformamide avec le cation
lithium,
provoquant une amplification du caractère nucléophile de l’ion chlorure.
Ceci fait, la réaction d’élimination peut débuter.
Su le produit minoritaire a été formé précédemment, on assistera donc à une
élimination sur un autre carbone qui aboutira à une double liaison de l’autre
coté de la cétone. Le produit suivant pourrait être formé :
O
CH3
3.3) Manipulations :
On prélève 10.8g de 2-chloro-2-méthylcyclohexanone préalablement
synthétisé et on le place dans un ballon. On y ajoute 2.51g de LiCl et 27mL de
diméthylformamide. Le ballon est muni d’un thermomètre et d’un ballon de
baudruche contenant de l’azote. Le ballon est chauffé à 100°C sous
agitation. La température à l’intérieur du ballon monte à 95°C puis se stabilise
à 90°C. Pour une plus grande quantité de réactif, l’article mentionne une
élévation de la température jusqu’à 105°C. Le contenu du ballon est ensuite
refroidi et on ajoute 99mL d’éther puis 99mL d’une solution d’H2SO4 10%. La
température est maintenue à moins de 10°C durant 3heures puis le mélange
est ensuite maintenu sous agitation durant la nuit à température ambiante.
Une fois la réaction terminée on sépare la phase aqueuse avec une solution
de NaCl et l’extrait avec 4 portions de 20mL d’éther. Les phases organiques
réunies sont ensuite lavées avec 3 portions de 20mL de solution de NaCl
saturée puis 2 portions de 25mL de NaHCO3 saturé. La solution est séchée sur
MgSO4 et filtrée. Le solvant est évaporé sur l’évaporateur rotatif et le reste est
distillé sous pression réduite. Le produit sort à 70°C à 20mmHg. La température
est restée absolument fixe durant la phase de distillation du produit ce qui est
de bonne augure concernant la pureté de l’échantillon.
3.4) Résultats :
Masse réactif initial (g)
Masse échantillon final (g)
Rendement (%)
10.8
5.01
46
aspect de l’échantillon
Liquide incolore transparent
Le rendement est relativement élevé pour cette 3ème étape. L’article
mentionnait d’effectuer deux distillations pour obtenir une pureté très élevée.
Le rendement maximal théorique est de 45% avec 2 distillations.
3.5) Analyse RMN:
Pour les protons 1, la théorie concorde très bien avec la pratique. On
attendait un singulet à 1.73ppm avec une intégrale de 3. Les protons sont à
peine plus déblindés que prévu.
L’hydrogène 3 est attendu aux alentours de 6.4ppm (zone des protons
vinyliques) et encore une fois la pratique conforte la théorie. On y trouve un
singulet intégrant pour 1 proton.
Les protons 4 et 4’ sont attendus aux alentours de 2ppm et confirment cette
hypothèse. On observe un quintuplet intégrant pour 2 hydrogènes.
Concernant la multiplicité, il m’est impossible d’en certifier la cause.
Les hydrogènes 5 et 5’ sont attendus à 1.4ppm, mais sur le spectre, les protons
se révèlent plus déblindés que prévu. On les trouve à 2.365ppm sous forme
d’un quartet intégrant pour 2 hydrogènes. Même remarque concernant la
cause de la multiplicité.
Les protons 6 et 6’ sont attendus à 2.94ppm, mais ces derniers se révèlent
légèrement moins déblindés que prévu. Toutefois ces protons sont
représentés par un triplet intégrant pour 2 hydrogènes. Même remarque
concernant la cause de la multiplicité. Cette analyse RMN certifie avec
succès la présence de la molécule désirée.
O
5'
H
1
6
66'
4H
5 H
3
55'
CH3
H 3
44'
O
H
4' H
1
H
6'
6ppm
attribution expérimental
6ppm
théorique
intégrale multiplicité
1
3
1.73
6.75
1.93
6.35
3
1
singulet
44'
2.05
1.96
2
quintuplet
55'
2.365
1.44
2
quartet
66'
2.465
2.94
2
triplet
singulet
type
H
aliphatiques
H vinylique
H
aliphatiques
H
aliphatiques
H
aliphatiques
4) Autre méthode de synthèse:
Aucun mécanisme n’est présenté ici mais une photocopie d’un article
traitant de la synthèse du produit par une méthode alternative est disponible
en annexe (voir référence).
5) Conclusion:
En conclusion nous retiendrons que les 3 synthèses de ce projet ont
fonctionné. Le rendement est inférieur à celui attendu mais la pureté du
produit est très satisfaisante. Les analyses RMN apportent la preuve de la
réussite de ces expériences. Ce projet a introduis une nouvelle dimension aux
travaux pratiques de chimie organique. En effet, le cheminement pour
parvenir au produit désiré était beaucoup moins linéaire. L’expérience s’est
relativement bien déroulée, cependant, la première étape de ce laboratoire
a dû être recommencée car le produit de synthèse avait brûlé lors de la
distillation.
6) Exercices:
6.1) Question 1 :
Voici les stéréoisomères possibles du 2-méthyl-2cyclohexanol:
H3C
H
OH
H
CH3
Diastéréoisomères
HO
H
H3C
Enantiomères
H
H
OH
HO
CH3
HO
H
H
6.2) Question 2:
Expliquez pourquoi le chlore se fixe sur le carbone le plus substitué.
Cette réaction est réalisée en passant par un énol réactif. Or, on sait qu’une
liaison double tétrasubstituée est plus stable qu'une double trisubstituée.
L'énol avec sa double liaison tétrasubstitué se crée sur le carbone le plus
substitué pour la simple raison que l'énol cette réaction est plus stable
thermodynamiquement.
Il est également possible que le CH3 porté par un des carbone du cycle
permette grâce à ces hydrogènes de stabiliser l'intermédiaire, d’où une
formation majoritaire de l’intermédiaire chloré sur ce même carbone. De
l’autre coté de la cétone, seul un hydrogène du cycle est capable de
stabilisé la réaction.
7) Références
Programmes utilisés : Microsoft Word et Excel 2002
ChemSketch Freeware
Chemdraw ultra 8.0
Beilstein & Crossfire
Sites: Spectral Database for Organic Compounds SDBS
http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi?lang=eng
Wikipedia
Articles: Newman, M. S.; Kahle, G. R. ; Reid, D. E. Organic Synthesis 1963, Coll.
Vol. IV, 162-165
Holysz, R. P. J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, 494-496