Chimie A

# Sujet — Chimie A, filière PC — X / ENS — 2025

X–ESPCI / ENS, mardi 15 avril 2025, 14h–18h, filière PC, épreuve de CHIMIE A.

Page de garde, graphie imprimée :

ECOLE POLYTECHNIQUE - ESPCI

ECOLES NORMALES SUPERIEURES

CONCOURS D’ADMISSION 2025

MARDI 15 AVRIL 2025

14h00 - 18h00

FILIERE PC - Epreuve n° 4

CHIMIE A (XEULS)

*Durée : 4 heures.*

*L’utilisation des calculatrices n’est pas autorisée pour cette épreuve.*

Le sujet est composé de deux parties totalement indépendantes. La première partie porte sur des stratégies de synthèse totale d’alcaloïdes naturels. La deuxième s’intéresse à la physico-chimie du norbornadiène et de ses dérivés.

Des annexes sont disponibles à la fin de l’énoncé et comportent des données spectroscopiques infrarouge et RMN (annexe 1), une banque de conditions pour la mise en place de groupes protecteurs et leur déprotection (annexe 2), et des données physico-chimiques (annexe 3).

Même si ce n’est pas explicitement demandé dans chaque question, toutes les réponses doivent être justifiées.

## Partie 1

## Nouvelles stratégies de synthèse totale d’alcaloïdes naturels

Cette partie est consacrée à une nouvelle stratégie de synthèse totale d’une famille d’alcaloïdes complexes à l’activité biologique très prometteuse. Ce domaine de recherche est une des voies pour développer des nouveaux médicaments plus actifs ou avec moins d’effets secondaires.

Nous nous intéresserons ici à la synthèse d’un sous-groupe de substances naturelles appartenant aux alcaloïdes indolomonoterpéniques. Ces molécules forment une classe étendue et fascinante de produits naturels étudiés en raison de leurs bioactivités prometteuses (cytotoxiques, immunosuppressives, anti-inflammatoires, antibactériennes…) et de leur diversité structurale. On en dénombre plus de 3000 découverts dans plusieurs familles du règne végétal comme les *Apocynaceae*, *Loganiaceae* et *Rubiaceae*.

Il s’agit en particulier ici de la synthèse de 6 alcaloïdes dits mavacurans (à l’origine isolés de plantes ou fruits et utilisés en Amazonie pour préparer des flèches empoisonnées au curare) en moins de 15 étapes, une prouesse par rapport aux synthèses reportées jusqu’ici pour ces alcaloïdes très complexes. Cette synthèse totale, réalisée pour la première fois en 2023 et adaptable à d’autres molécules de la famille des alcaloïdes indolomonoterpéniques, est une étape importante dans la synthèse efficace de futurs médicaments.

*Dans cette partie, un soin particulier est attendu dans l’écriture des mécanismes réactionnels ; les formules utilisées dans les réponses aux questions devront obligatoirement être des représentations topologiques et faire apparaître les doublets non liants et les formes mésomères pertinentes des intermédiaires réactionnels s’il y a lieu. Une représentation simplifiée des molécules peut être utilisée dans l’écriture des mécanismes réactionnels ou des équations de réaction mais, si c’est le cas, elle doit être clairement explicitée.*

## I – Première stratégie de synthèse

L’équipe qui a mené cette recherche s’est lancée dans une première stratégie de synthèse qui répondait au schéma rétrosynthétique (Figure 1) concernant la dernière étape (fermeture du 5e cycle noté « D » pour mener aux deux alcaloïdes mavacuran notés **1** et **2**) :

**Figure 1 – Schéma rétrosynthétique de la synthèse des alcaloïdes 1 (R₁ = CO₂Me et R₂ = H) et 2 (R₁ = H et R₂ = CO₂Me) à partir des précurseurs 4 et 5.**

Structures lues (squelette et substituants du dessin) :

- **1** et **2** : cage pentacyclique d’alcaloïde indolique. Indole à gauche, azote aliphatique ponté en haut, cycle D marqué par un trait gras. Éthylidène (=CH–CH₃) sur le pourtour. Au carbone porteur des deux substituants variables : R₁ en coin plein, R₂ en coin hachuré ; un H est dessiné sur le carbone voisin. Un H en coin hachuré est dessiné au pont, près de l’azote supérieur. Légende imprimée : **1** : R₁ = CO₂Me, R₂ = H ; **2** : R₁ = H, R₂ = CO₂Me.
- Flèche rétrosynthétique vers **3** : même squelette tétracyclique, sans le cycle D fermé. L’azote aliphatique porte la chaîne –CH₂–C(I)=CH–CH₃ (iode sur le carbone interne de la double liaison ; géométrie trans, le méthyle et le CH₂ de part et d’autre). Un H en trait hachuré est au carbone stéréogène voisin de cet azote. Le carbone lié à l’azote indolique porte CO₂Me et une double liaison intracyclique (acrylate d’indolyle).
- Deuxième flèche rétrosynthétique vers **4** + **5**.
- **4** : tryptamine N-alkylée. Indole (NH libre) relié par –CH₂–CH₂– à un NH, lui-même relié à –CH₂–C(I)=CH–CH₃.
- **5** : chaîne OHC–CH₂–CH₂–C(=O)–CO₂Me (aldéhyde en bout, cétone en α de l’ester méthylique).

La synthèse du précurseur **4** se fait en 4 étapes à partir de l’aldéhyde **6** (Figure 2).

**Figure 2 – Synthèse du composé 4 à partir de 6.**

Étape **6 → 7** (56 %, 2 étapes) :

- **6** : aldéhyde α,β-insaturé trans, chaîne à quatre carbones OHC–CH=CH–CH₃ (but-2-énal).
- Conditions au-dessus de la flèche : 1) I₂, K₂CO₃, et la DMAP dessinée (pyridine substituée en para par NMe₂), THF/H₂O, t.a.
- Conditions sous la flèche : 2) NaBH₄, THF/H₂O, 0 °C.
- **7** : alcool allylique HO–CH₂–C(I)=CH–CH₃, l’iode sur le carbone porteur du CH₂OH, double liaison trans.

Étape **7 → 4** (75 %, 2 étapes) :

- 1) Chlorure de méthanesulfonyle dessiné Cl–S(=O)₂–CH₃, Et₃N, CH₂Cl₂, 0 °C.
- 2) Tryptamine (indole-3-CH₂–CH₂–NH₂, 3 éq.), MeCN, t.a., 15 h puis reflux, 1 h.
- **4** numéroté sur le dessin : cycle benzénique 1 (jonction), 2, 3, 4, 5, 6 (jonction portant N7) ; C8 = carbone indolique entre N7 et C9 ; C9 porte la chaîne C10–C11–N12–C13–C14(I)=C15–C16. C16 est le méthyle vinylique. Le substituant de C14 est l’atome I.

**1.** La DMAP (*N,N*-diméthylpyridin-4-amine) est un dérivé de la pyridine utilisé comme catalyseur nucléophile dans un grand nombre de réactions. Expliquer en quoi la nucléophilie de l’azote du cycle de la pyridine est augmentée ici par rapport à celui de la molécule de pyridine seule.

**2.** Donner la structure de l’intermédiaire réactionnel obtenu après la première étape de la transformation **6 → 7**, puis représenter le mécanisme réactionnel de la deuxième étape de cette transformation.

**3.** Donner la formule topologique de l’intermédiaire obtenu après la première étape de la transformation **7 → 4**.

**4.** À l’aide de l’Annexe 1, montrer que les données de spectroscopie RMN du composé **4** fournies dans le Tableau 1 sont compatibles avec la structure proposée dans la Figure 2. Attribuer les signaux A à I aux protons portés par les atomes selon la numérotation de la Figure 2.

**Tableau 1 – Spectre RMN du proton du composé 4.**

| Référence du signal | Déplacement chimique (ppm) | Nature du signal et couplage éventuel (Hz) | Intégration |
| --- | --- | --- | --- |
| A | 1,81 | d (6,3) | 3 |
| B | 2,07 | br s | 1 |
| C | 2,93 | t (6,9) | 2 |
| D | 3,06 | br t (6,9) | 2 |
| E | 3,56 | s | 2 |
| F | 5,81 | q (6,3) | 1 |
| G | 7,04 | s | 1 |
| H | 7,17 – 7,69 | m | 4 |
| I | 8,60 | br s | 1 |

Abréviations : s = singulet, d = doublet, t = triplet, q = quadruplet, m = multiplet, br = large.

La synthèse du précurseur **5** se fait, elle, en 2 étapes (Figure 3).

**Figure 3 – Synthèse du composé 5 à partir de 8.**

- **8** : 4-bromobut-1-ène, Br à l’extrémité de la chaîne saturée, double liaison terminale à l’autre bout.
- Flèche : Mg, THF, vers l’oxalate de diméthyle dessiné MeO₂C–C(=O)–OMe. Mention sous le schéma : CH₂Cl₂/THF, −78 °C.
- **9** : MeO₂C–C(=O)–CH₂–CH₂–CH=CH₂ (cétone en α de l’ester, alcène terminal).
- Flèche **9 → 5** : aucune condition n’est imprimée sur la flèche. La double liaison terminale est devenue un aldéhyde.
- **5** : MeO₂C–C(=O)–CH₂–CH₂–CHO.

**5.** Justifier le choix du THF comme solvant lors de l’étape **8 → 9**, et de la nécessité qu’il soit anhydre.

**6.** Proposer un mécanisme réactionnel rendant compte de la formation de **9**.

Le produit **3** est ensuite obtenu à partir des précurseurs **4** et **5** en 2 étapes (Figure 4).

**Figure 4 – Synthèse du composé 3 à partir de 4 et 5.**

- **4** + **5** (2,8 éq.). Au-dessus de la flèche : (PhO)₂PO₂H (20 % molaire), tamis moléculaire 4 Å, PhMe, t.a.
- **(±)-10**, 73 % : squelette de tétrahydro-β-carboline. L’azote indolique est engagé dans un hétérocycle à six dont un carbone porte à la fois OH et CO₂Me. La chaîne iodée –CH₂–C(I)=CH–CH₃ reste sur l’azote aliphatique.
- Flèche descendante : THF, 0 °C ; réactifs dessinés : anhydride (F₃C–C(=O))₂O et 2,6-diméthylpyridine.
- **(±)-3**, 87 % : même squelette que **3** (acrylate MeO₂C conjugué à l’azote indolique, chaîne iodée sur l’azote aliphatique, H hachuré au stéréocentre).

**7.** Donner le schéma de Lewis de l’espèce (PhO)₂PO₂H, ainsi que la géométrie locale de l’atome de phosphore.

La réaction menant à (±)-**10** est une réaction de Pictet-Spengler. Cette dernière a été découverte en 1911 et reste très utilisée lors de la synthèse des alcaloïdes et des produits pharmaceutiques. Lors de cette réaction chimique, une β-aryléthylamine comme la tryptamine (±)-**10** est produite par une réaction de fermeture de cycle après une condensation avec un composé carbonylé.

**8.** Donner la signification du signe (±) dans le nom du produit (±)-**3**.

**9.** Identifier, en justifiant dans les deux cas, le site le plus nucléophile de la molécule **4** et les sites électrophiles de la molécule **5** en les classant par ordre croissant d’électrophilie.

**10.** La 2,6-diméthylpyridine intervient lors de la transformation (±)-**10** → (±)-**3**. Donner son rôle lors de cette transformation.

**11.** Indiquer pourquoi l’on se place à 0 °C dans cette transformation. Donner le nom de ce type de réaction chimique.

**12.** L’hétérocycle hydroxylé de la molécule (±)-**10** est un cycle à 6. On observe expérimentalement qu’il n’adopte pas une conformation de type « chaise », mais une géométrie quasi-planaire. Proposer une explication à cette observation.

## II – Deuxième stratégie de synthèse

Après les 8 étapes décrites dans la première partie, l’équipe de recherche n’est pas parvenue à obtenir d’alcaloïdes. Suite à cet échec, l’équipe a décidé d’établir un nouveau schéma rétrosynthétique (Figure 5).

**Figure 5 – Schéma rétrosynthétique de la synthèse des alcaloïdes 1 (R₁ = CO₂Me et R₂ = H) et 2 (R₁ = H et R₂ = CO₂Me) à partir du précurseur 12.**

Structures lues :

- **1** et **2** : même cage que dans la Figure 1. Numérotation imprimée : C1 porte R₁ (coin plein) et R₂ (coin hachuré) ; C2 est le carbone voisin (celui qui porte un H sur le dessin de la Figure 1) ; C3 et C4 jalonnent le pourtour vers l’éthylidène et le cycle D en trait gras.
- Flèche vers **11** : tétrahydro-β-carboline. Azote aliphatique substitué par R₃, H en trait hachuré au carbone voisin de NR₃. Carbone lié à l’azote indolique porteur de CO₂Me (plus de double liaison acrylate : le cycle est saturé à cet endroit). Sur le carbone suivant, H en trait hachuré et, en coin plein, une chaîne qui porte l’éthylidène (=CH–CH₃) et un CH₂OR₄.
- Flèche vers **12** + un fragment. **12** : tétracycle acrylate analogue à **3**, azote aliphatique = NR₃, CO₂Me sur la double liaison liée à l’azote indolique, pas de chaîne iodée.
- Fragment de droite : espèce anionique vinylique. Le carbone portant la charge moins est celui de la double liaison ; il porte aussi CH₂OR₄ ; l’autre carbone de la double liaison porte le méthyle (éthylidène).

**13.** Indiquer les produits parasites qui auraient pu être formés lors de la formation de **11** à partir de **12** si les groupes protecteurs R₃ et R₄ indiqués en Figure 5 n’avaient pas été présents.

**14.** À l’aide de la Table A3 fournie en Annexe 2, proposer deux groupes protecteurs R₃ et R₄ compatibles avec les conditions suivantes : T ≥ 25 °C pour la protection et pH > 1 pour la déprotection.

**15.** Donner le stéréodescripteur des carbones stéréogènes C1 et C2 dans le cas de l’alcaloïde **2** en justifiant.

**16.** Donner une représentation de Newman de la molécule **2** selon la liaison C1–C2 en utilisant la numérotation de la Figure 5, en plaçant l’atome C1 au premier plan et en se limitant aux atomes voisins.

La molécule **13**, nécessaire à la fermeture du cycle D, est synthétisée en 3 étapes (Figure 6). La première étape est de nouveau une réaction de Pictet-Spengler.

**Figure 6 – Synthèse du composé 13 et détail de l’espèce Cat.**

- **14** : indole dont la position 3 porte CH₂–CH₂–NHMe (la question 17 en donne le nom IUPAC).
- Partenaire carbonylé, au-dessus de la flèche : OHC–CH₂–CH₂–C(OMe)₂–CO₂Me (aldéhyde, deux méthylènes, carbone d’acétal diméthylique portant aussi CO₂Me).
- Conditions : (PhO)₂PO₂H ou Cat (20 % molaire), tamis moléculaire 4 Å, PhMe, t.a.
- **15** : produit de Pictet-Spengler. Indole dont le NH est encore libre, cycle azoté à six fusionné portant NMe, et chaîne latérale terminée par le carbone géminé C(OMe)₂(CO₂Me). Sur le tracé, ce carbone géminé est dessiné très près du NH indolique ; une fermeture supplémentaire en grand cycle n’est pas lisible de façon certaine.
- Flèche : TsOH, H₂O, acétone, reflux.
- **16** : tétracycle. L’azote indolique est désormais lié au cycle qui porte CO₂Me sur une double liaison (acrylate d’indolyle). L’azote aliphatique est NMe, dans le cycle pipéridinique fusionné au-dessus de l’indole.
- Flèche : *n*-BuLi (1,5 éq.), PhMe, −78 °C à t.a.
- **13** (majoritaire) : même tétracycle, double liaison acrylate saturée. Lecture des coins : *n*-Bu en coin plein et H en coin hachuré sur un carbone ; sur le carbone voisin lié à l’azote indolique, H en coin plein et CO₂Me en coin hachuré ; H en coin hachuré au carbone en α de NMe.

**Cat** (détail à part) : thiourée. D’un côté, un noyau benzénique 1,3,5 portant deux CF₃ et le NH de la thiourée ; C=S au centre ; l’autre NH est porté par un carbone stéréogène (liaison hachurée lue) substitué par un naphtalène et par le squelette bicyclique azoté de type quinuclidine, lequel porte une chaîne vinyle (–CH=CH₂).

**17.** Le nom du produit **14** en nomenclature IUPAC est : 2-(1*H*-indol-3-yl)-*N*-méthyléthan-1-amine. Déduire de ce nom la structure d’un noyau de type indole.

**18.** L’emploi de l’espèce Cat permet d’obtenir le composé **15** dans un mélange de proportion 80/20 des énantiomères R et S, respectivement. Expliquer et justifier le rôle de Cat.

**19.** Proposer une méthode expérimentale pour séparer les différents stéréoisomères de **15**.

**20.** Le passage du composé **14** à **13** s’effectue en 3 étapes qui peuvent être suivies chacune par spectroscopie IR. Analyser, en s’aidant de l’Annexe 1, ces 3 étapes en reproduisant et en remplissant le tableau ci-après :

| Étape | Nature (ex : oxydation, réaction acido-basique, cyclisation…) | Rôle (ex : protection, déprotection, activation, aménagement fonctionnel, …) | Bande(s) à suivre en IR (zone en cm⁻¹) | Évolution de la (des) bande(s) en IR |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| Exemple |  |  | Liaison C–C (1000 – 1250 cm⁻¹) | Disparition / Apparition / Déplacement |
| 14 → 15 |  |  |  |  |
| 15 → 16 |  |  |  |  |
| 16 → 13 |  |  |  |  |

**21.** Nommer les deux types de sélectivité observés lors de l’ajout de *n*-BuLi sur **16**.

L’addition 1,4 observée lors de l’ajout de *n*-BuLi sur **16** est inhabituelle en chimie organique. L’équipe de recherche a montré lors d’un travail complémentaire que la sélectivité de la réaction dépend de la nature du solvant. Ils ont notamment montré par calculs de chimie quantique que la formation d’un complexe tétraédrique formé de 4 molécules de *n*-BuLi autour de l’azote de l’amine tertiaire la plus accessible de **16** est nécessaire pour amener à cette addition 1,4 (Figure 7).

**22.** Entre le THF et le toluène, déterminer quel est le solvant plus favorable à la formation du complexe tétraédrique de *n*-BuLi. Justifier à l’aide des formules topologiques des deux solvants données en Annexe 3.

**23.** En s’appuyant sur la Figure 7, justifier la plus faible énergie associée à l’état de transition TSAB par rapport à celui TSAB’.

**Figure 7 – Profil d’énergies relatives à l’addition de *n*-BuLi sur 16 pour former 13.** Les énergies sont calculées pour les complexes A (qui sert ici de référence) et B, ainsi que pour les états de transition TSAB et TSAB’. Énergies en kcal·mol⁻¹ ; les atomes d’hydrogène sont omis. Li : violet ; O : rouge ; N : bleu ; C : gris.

Valeurs lues sur le profil : complexe **A** à 0,0 (référence) ; **TSAB** à 3,4 ; **TSAB′** à 8,7 ; complexe **B** à −50,9. Le dessin montre un tétraèdre de lithiums (violet) coiffé de chaînes butyle, coordonné à l’azote bleu du substrat ; les oxygènes de l’ester sont rouges. Un cartouche agrandit la zone de l’état de transition. Une flèche relie TSAB au puits B.

Cette étude détaillée a permis à l’équipe de recherche d’utiliser l’addition 1,4 pour obtenir la molécule **18** en une étape (Figure 8).

**Figure 8 – Schéma réactionnel de la synthèse de 18 à partir de 16 et 17.**

- **17** (10 éq.) : iodure vinylique. L’iode est sur le carbone qui porte aussi CH₂OTBS ; l’autre carbone de la double liaison porte le méthyle. Géométrie lue : CH₂OTBS et méthyle de part et d’autre de la double liaison.
- Conditions : *n*-BuLi (9 éq.), PhMe, −78 °C à −20 °C, puis −78 °C à t.a., en présence de **16**.
- **18** : tétracycle de la famille de **13**, mais le substituant issu de **17** remplace le butyle. Lecture : NMe, H hachuré au carbone en α de NMe, CO₂Me et H sur le carbone lié à l’azote indolique, et, en coin plein, la chaîne éthylidénique portant CH₂OTBS (=C(CH₂OTBS)–CH₃, ou l’enchaînement équivalent lu : éthylidène et CH₂OTBS sur le carbone nouvellement lié).

Le précurseur **18** permet d’obtenir des mavacurans. L’étape de déprotection de l’alcool détaillée en Figure 9 requiert quelques précautions expérimentales.

**Figure 9 – Schéma réactionnel de la synthèse de 19 à partir de 18.**

- **18 → 19** : HCl aq. 1 mol/L, MeOH, t.a., 79 %. Le groupe OTBS est devenu OH ; le reste du squelette (NMe, CO₂Me, éthylidène, stéréochimie) est inchangé. **19** porte donc CH₂OH allylique.
- Sous **19**, trois flèches verticales descendent vers **2**, sans conditions imprimées (le texte dit que le détail de ces trois étapes n’est pas présenté).

**24.** Les conditions employées pour la déprotection de l’alcool sont particulièrement douces pour éviter une réaction parasite de cyclisation. Nommer la réaction de cyclisation que l’on souhaite éviter et dessiner la molécule qui serait obtenue lors de cette réaction parasite.

Le précurseur **19** mène en 3 étapes – dont nous ne présenterons pas le détail – au mavacuran **2** puis à une série de 4 mavacurans, dont la séquence réactionnelle est présentée en Figure 10.

**Figure 10 – Synthèse des mavacurans 20, 21, 22 et 23 à partir de 2.**

- **2** est redessiné : cage de la Figure 1, H en coin plein et CO₂Me sur le carbone correspondant à R₁ = H, R₂ = CO₂Me, éthylidène, liaison du cycle D en trait gras.
- **2 → 20** : LiAlH₄, THF, 0 °C à t.a., puis H⁺ / H₂O, 91 %. La structure de **20** n’est pas dessinée.
- **20 → 21** : MeI, MeOH, t.a., 60 %. La structure de **21** n’est pas dessinée.
- **21 → 22** : le réactif dessiné est l’acide 3-chloroperbenzoïque (cycle benzénique portant Cl en méta, C(=O)OOH), CH₃CN, 40 °C, 48 %. La structure de **22** n’est pas dessinée.
- **22 → 23** : HCl, MeOH (AcCl + MeOH), reflux, 43 %.
- **23** est dessiné : même cage, mais le noyau indolique est devenu un pseudoindoxyle (cétone sur le carbone benzylique, azote lié au cycle central). L’azote aliphatique est un ammonium portant un méthyle supplémentaire, contre-ion I⁻. Un CH₂OH est sur le carbone qui portait CO₂Me dans **2** (H dessiné à côté). Éthylidène conservé. Liaison en trait gras sur le pont du cycle D.

**25.** Donner les structures des mavacurans **20**, **21** et **22** en supposant pour ce dernier la formation d’un époxyde.

## Partie 2

## Autour du norbornadiène

Le norbornadiène (NBD, de formule moléculaire C₇H₈) est un hydrocarbure bicyclique capable de se transformer en l’un de ses isomères, le quadricyclane (QC), sous l’effet d’une irradiation par lumière UV, comme illustré sur la Figure 11. Le quadricyclane est un hydrocarbure polycyclique présentant une forte tension de cycle, ce qui le rend instable. Par conséquent, il se reconvertit spontanément en norbornadiène par une réaction exothermique de cinétique d’ordre 1, présentée sur la Figure 11.

**Figure 11 – Structure des composés NBD et QC et réaction d’isomérisation.**

- **NBD** : norbornadiène, bicycle ponté à deux doubles liaisons (le pont CH₂ au sommet, les deux C=C face à face).
- Double flèche d’équilibre vers **QC**.
- **QC** : quadricyclane, le même squelette dont les deux doubles liaisons ont formé deux cyclopropanes supplémentaires (plus de double liaison dessinée).

Le système NBD-QC est étudié pour ses applications potentielles dans le stockage et la conversion de l'énergie solaire en énergie thermique. Dans cette étude, nous nous intéressons au norbornadiène non substitué (NBD) ainsi qu’à un dérivé, noté NBD1, capable de subir une transformation similaire tout en présentant une meilleure réactivité sous irradiation solaire. Les structures des composés NBD1 et QC1 sont représentées sur la Figure 12.

**Figure 12 – Structure des composés NBD1 et QC1.**

- **NBD1** : norbornadiène dont une double liaison porte, sur ses deux carbones, un groupe CN et un 4-méthoxyphényle (OMe en para). L’autre double liaison n’est pas substituée.
- **QC1** : quadricyclane correspondant. CN et le 4-méthoxyphényle sont sur deux sommets adjacents du squelette polycyclique ; plus de double liaison.

L’ensemble de ces composés est solide à température et pression ambiantes.

## I – Généralités

**26.** En détaillant le raisonnement, exprimer l’enthalpie standard de la réaction QC(s) → NBD(s) en fonction des enthalpies standard de sublimation des deux composés ainsi que des enthalpies standard de dissociation des liaisons C–C et C=C.

Le terme de différence des enthalpies de sublimation est négligeable dans le cas de ces composés.

**27.** En déduire la valeur de l’enthalpie standard attendue pour la réaction QC(s) → NBD(s).

**28.** Citer une technique pour la détermination expérimentale de la valeur de cette enthalpie standard de réaction.

On obtient une valeur expérimentale de −113 ± 1 kJ·mol⁻¹ à 298 K.

**29.** Proposer une explication justifiant l’écart entre la valeur calculée précédemment et la valeur déterminée expérimentalement.

Pour la suite du problème, on utilisera uniquement les valeurs déterminées expérimentalement.

## II – Étude de la cyclisation

La transformation photochimique du norbornadiène en quadricyclane est un processus d'isomérisation induit par la lumière, reposant sur une cycloaddition [2+2]. Pour mieux comprendre cette réaction, on peut modéliser les deux doubles liaisons du NBD en les représentant par deux molécules d'éthène isolées.

Avant d'étudier plus en détail cette cycloaddition, on se propose de construire le diagramme d’orbitales moléculaires de l'éthène. Ce dernier peut être obtenu en faisant interagir deux fragments CH₂, dont les orbitales de fragment, notées a à f, se combinent deux à deux, comme illustré ci-dessous sur la Figure 13.

**Figure 13 – Diagramme d’orbitales moléculaires de l’éthène et orbitales moléculaires du fragment CH₂.**

Diagramme corrélé, énergie croissante vers le haut.

- À gauche et à droite : niveaux du fragment CH₂, du plus bas au plus haut : **a**, **b**, **c**, **d**, **e**, **f**. Remplissage dessiné sur les fragments : a, b et c portent chacune une paire (flèches haut et bas) ; d, e et f sont vides.
- Au centre : douze niveaux de l’éthène, **OM1** (le plus bas) à **OM12** (le plus haut). Des pointillés relient chaque niveau de fragment à un ou plusieurs OM. Le remplissage électronique n’est pas reporté sur OM1–OM12 (la question 30 demande de le faire pour les OM 4 à 7).
- Sous le diagramme : deux fragments CH₂ et, au milieu, l’éthène H₂C=CH₂.
- À droite du diagramme : six vignettes d’orbitales du fragment, notées a à f, avec un repère (x, y, z) sur un CH₂. Ce sont des représentations de lobes ; le détail de chaque lobe n’est pas recopié ici.

**30.** Représenter les orbitales moléculaires de l’éthène numérotées de 4 à 7 sur la Figure 13, réaliser le remplissage électronique et identifier la HO et la BV.

**31.** Identifier les orbitales moléculaires du système π de l’éthène, en justifiant.

Des calculs quantiques donnent l’énergie des HO et BV de l’éthène respectivement à −10,5 et +1,4 eV.

**32.** Indiquer pourquoi la cycloaddition [2+2] de l’éthène sur lui-même n’a pas lieu spontanément.

**33.** Représenter le diagramme d’OM du système π du premier état excité de l’éthène.

**34.** Calculer l’ordre de liaison de cet état excité et proposer une structure de Lewis associée.

**35.** Identifier la ou les interaction(s) orbitalaire(s) à deux électrons possible(s) entre deux molécules d’éthène à l’état excité. Indiquer lesquelles respectent les critères de recouvrement et énergétique.

**36.** En déduire que la cycloaddition [2+2] peut avoir lieu par irradiation lumineuse.

**37.** Proposer une expression littérale de la longueur d’onde nécessaire pour réaliser la cycloaddition de l’éthène sur lui-même, puis faire l’application numérique et indiquer le domaine du spectre électromagnétique auquel appartient cette radiation.

## III – Étude de la libération d’énergie

Suivi cinétique :

On se propose de réaliser un suivi cinétique de la réaction modèle QC → NDB. Pour cela, on cherche à suivre la concentration en espèces au cours du temps, en milieu thermostaté.

Parmi les nombreuses techniques de suivi possible, on peut envisager le tracé des courbes intensité-potentiel à différents instants. En effet, les composés QC et NBD sont électroactifs et peuvent être oxydés en QC⁺ et NBD⁺ et les potentiels standard des couples sont donnés en Annexe 3. Les deux couples sont des couples rapides et on considèrera que les coefficients de diffusion des espèces sont égaux.

**38.** Représenter le montage expérimental légendé permettant de tracer les courbes intensité-potentiel.

**39.** Identifier une grandeur issue des courbes intensité-potentiel permettant de suivre facilement l’évolution des concentrations en NBD et QC.

**40.** Tracer schématiquement un faisceau de trois courbes enregistrées au cours de la cinétique en partant d’une solution pure de QC aux temps t₀, t₁/₂ et t∞. On négligera les effets du solvant.

En pratique, le composé QC⁺, formé lors de l’acquisition des courbes, peut également se transformer en NBD⁺ avec une constante de vitesse différente de QC, et générer un effet dit « cascade » schématisé ci-dessous sur la Figure 14 :

**Figure 14 – Schéma de l'effet cascade redox.**

Trois compartiments de gauche à droite.

- À droite : flèche courbe « Oxydation électrochimique » de QC (bleu) vers QC⁺ (vert).
- Au centre, encadré en pointillés et titré « Réaction (1) » : QC et NBD (bleus) au-dessus, QC⁺ et NBD⁺ (verts) au-dessous, reliés par deux flèches courbes croisées (échange redox).
- À gauche du cadre : autre couple de flèches courbes entre QC / NBD (bleus) et QC⁺ / NBD⁺ (verts), puis une flèche horizontale en pointillés qui sort vers la gauche depuis QC⁺.

Le temps caractéristique de cet effet cascade est analogue à la durée d’acquisition d’une courbe intensité-potentiel.

**41.** Estimer la valeur de la constante thermodynamique d’équilibre à 298 K de la réaction notée (1) dans la Figure 14 et commenter cette valeur.

**42.** Dessiner l'allure réelle de la vague d'oxydation de QC en QC⁺, en partant d’une solution contenant uniquement la forme QC.

**43.** Commenter alors la pertinence de l’électrochimie pour suivre la cinétique QC → NBD.

**44.** Proposer une autre technique expérimentale possible pour réaliser ce suivi cinétique.

Détermination des paramètres d’activation :

Le suivi cinétique est alors réalisé pour la réaction QC1 → NBD1. Les valeurs de constante de vitesse de la réaction d’ordre 1 ont été mesurées à différentes températures et le tracé de ln(k/T) en fonction de 1/T a été réalisé et représenté ci-dessous (Figure 15).

**Figure 15 – Tracé de la loi d'Eyring (rouge : modélisation, noir : points expérimentaux).**

Graphique : ordonnée ln(k/T), d’environ −19 à −14,5 ; abscisse 1/T (K⁻¹), graduée de 2,85 à 3,15, avec le facteur × 10⁻³ indiqué sous l’axe. Cinq points noirs, droite rouge de pente négative. Encadré lu sur la figure :

- Ordonnée à l'origine = 21 ± 1
- Pente = −(1,25 ± 0,04)×10⁴ K

Document : relation d’Eyring

La relation d’Eyring, donnée ci-dessous, permet de relier la constante de vitesse d’une réaction suivant une loi d’ordre 1 à la température :

\[
k = \frac{k_B T}{h} \exp\left(-\frac{\Delta G^\ddagger}{RT}\right) = \frac{k_B T}{h} \exp\left(-\frac{\Delta H^\ddagger - T\Delta S^\ddagger}{RT}\right)
\]

avec \(k\) la constante de vitesse de la réaction d’ordre 1 (en s⁻¹), \(k_B\), \(h\) et \(R\) respectivement les constantes de Boltzmann, de Planck et des gaz parfaits, \(T\) la température (en K), \(\Delta G^\ddagger\) l’enthalpie libre d’activation de la réaction, \(\Delta H^\ddagger\) l’enthalpie d’activation de la réaction, et \(\Delta S^\ddagger\) l’entropie d’activation de la réaction.

**45.** Donner l’expression de la constante de vitesse donnée par la loi d’Arrhénius et préciser les grandeurs introduites. Indiquer l’intérêt de la formule d’Eyring par rapport à la formulation issue de la loi d’Arrhénius.

**46.** Déduire de la Figure 15 les valeurs approximatives de ΔH‡ et ΔS‡ et commenter le signe de cette dernière valeur.

Suivi calorimétrique en réacteur fermé (modèle 1) :

On cherche à déterminer l’augmentation de température atteinte lors de la réaction retour en fonction du temps. Pour cela, on place dans une enceinte calorifugée idéale 10 mL d’une solution de NBD1 dans du toluène à la concentration \(c_0 = 1{,}1\,\mathrm{mol{\cdot}L^{-1}}\). Une irradiation à 365 nm permet de convertir quantitativement NBD1 en QC1, puis le mélange est laissé dans le noir et la température est mesurée au cours du temps. On note \(c(t)\) la concentration en NBD1 formé à chaque instant et \(C\) la capacité calorifique massique des composés NBD1 et QC1, considérées identiques pour les deux isomères.

**47.** En justifiant précisément le raisonnement, montrer qu’à chaque instant, on a :

\[
T(t) = T_i - \frac{\Delta_r H^\circ}{K}\, c(t)
\]

où \(K\) est une constante à exprimer en fonction de la masse volumique du toluène (\(\rho_\mathrm{Tol}\)), sa capacité calorifique massique (\(C_\mathrm{Tol}\)), la capacité calorifique massique de NBD1 et QC1 (\(C\)), leur masse molaire (\(M\)) et leur concentration totale (\(c_0\)).

**48.** En déduire que la température est solution d’une équation différentielle de la forme :

\[
\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}t} = \alpha\, T\, e^{-\beta/T}\,[T + \gamma]
\]

où les constantes \(\alpha\), \(\beta\) et \(\gamma\) sont à exprimer en fonction des données du problème.

**49.** En déduire que la hausse de température maximale atteinte dans le réacteur \(\Delta T_\infty\) vaut :

\[
\Delta T_\infty = -\frac{c_0\,\Delta_r H^\circ}{K}.
\]

Le graphique simulé de l’évolution de la température en fonction du temps est tracé sur la Figure 16.

**Figure 16 – Simulation de la température à l'intérieur du calorimètre au cours du temps, pour une température initiale de 20 °C.**

Courbe bleue. Abscisse t (s), de 0 à 2,0×10⁶. Ordonnée T (K), graduée de 300 à 340. Départ un peu sous 295 K, montée d’abord lente, puis raide aux alentours de 1,2×10⁶ à 1,4×10⁶ s, palier vers 342 K.

**50.** Commenter l’évolution de la température à l’intérieur du calorimètre ainsi que l’ordre de grandeur du temps nécessaire pour atteindre la température maximale et discuter de la possibilité d’atteindre cette température expérimentalement dans le calorimètre.

Suivi de la température en réacteur ouvert (modèle 2) :

L’expérience de libération d’énergie, avec la même solution de NBD1 dans le toluène, est faite dans un deuxième temps en réacteur ouvert calorifugé modélisé par un réacteur parfaitement agité continu (RPAC) avec les caractéristiques suivantes :

- Débit volumique : \(D_v = 5\,\mathrm{mL{\cdot}h^{-1}}\)
- Réacteur : cylindre de diamètre 0,1 cm et de longueur 1 cm
- Concentration d’entrée du réactif : \(c_0 = 1{,}1\,\mathrm{mol{\cdot}L^{-1}}\)
- Température d’entrée du réacteur \(T_e\) : 20 °C

On cherche à déterminer la température atteinte dans le réacteur, notée T.

**51.** On note \(\tau\) le temps de passage de la solution dans le réacteur. Exprimer et estimer \(\tau\) en fonction des caractéristiques du réacteur.

**52.** Exprimer la vitesse \(v\) de réaction de QC1 vers NBD1 en fonction du taux de conversion de QC1 noté \(X\), de la constante de vitesse \(k\) et de la concentration \(c_0\).

**53.** Par un bilan de matière, montrer que : \(c_0 - v\tau = c_0(1 - X)\).

**54.** En déduire l’expression de \(X\) en fonction de \(k\) et \(\tau\) uniquement, puis en fonction de \(T\), \(\tau\) et de toute autre donnée du problème jugée pertinente.

**55.** En effectuant un bilan thermique, montrer que

\[
X = \frac{K}{c_0\,\Delta_r H^\circ}\,(T_e - T).
\]

Le code Python incomplet ci-dessous permet de tracer les deux courbes (cinétique et thermodynamique) déterminées précédemment.

```python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import scipy.constants as constants

# Définition des paramètres :
DHact = %
DSact = %
kB = constants.k # constante de Boltzmann en Unités du Système International (USI)
R = constants.R # constante des gaz parfaits en USI
h = constants.h # constante de Planck en USI
d = 0.001 # m
l = 0.01 # m
D = 5e-6/3600 # m^3/s
tau = %
rhotol = 867 # kg/m^3
Ctol = 1800 # J/K/kg
C0 = 1.1e+3 # mol/m^3
C = 1660 # J/K/kg
M = 223e-3 # kg/mol
K = %
DrH = -88.5e3 # J/mol
Te = 20 + 273 # K

# Définition de la constante de vitesse
def k(T):
    #### ligne à compléter

# Définition de la courbe cinétique
def Xcin(T):
    #### ligne à compléter

# Définition de la courbe thermo
def Xtherm(T):
    return (K/C0/DrH*(Te-T))

T = np.linspace(Te-20, Te+210, 1000)

y1 = #### ligne à compléter, liste de valeurs de Xcin
y2 = #### ligne à compléter, liste de valeurs de Xtherm

plt.axis([Te-20, Te+210, 0,1])

plt.plot(T, y1, 'b', label="courbe cinétique")
plt.plot(T, y2, 'b', linestyle="--", label="courbe thermochimique")
plt.xlabel('T (K)')
plt.ylabel('X')
plt.legend()
plt.show()
```

Les signes `%` et les mentions « ligne à compléter » sont imprimés tels quels. La numérotation d’origine va de 1 à 48 ; les lignes 26, 30, 38 et 39 sont celles à compléter (question 56).

**56.** Compléter les lignes 26, 30, 38 et 39 du code Python précédent.

On obtient alors le graphique suivant, Figure 17.

**Figure 17 – Graphique affiché après l'exécution du script Python.**

Abscisse T (K), environ 290 à 500. Ordonnée X, de 0 à 1,0. Courbe bleue continue (« courbe cinétique ») : reste près de 0 jusqu’à environ 380 K, puis sigmoïde, atteint environ 1 vers 500 K. Courbe bleue tiretée (« courbe thermochimique ») : part de 0 vers 293 K et monte quasi linéairement, coupe X = 1 vers 340–350 K. Les deux courbes ne se croisent qu’au voisinage de l’origine du tracé, très bas en conversion.

**57.** Commenter le graphe précédent et en déduire si une élévation significative de température est possible dans ces conditions expérimentales.

**58.** Identifier deux paramètres expérimentaux sur lesquels jouer pour obtenir une élévation de température plus importante.

Modification du procédé par ajout d’un catalyseur :

Ainsi, pour pallier la cinétique lente de la réaction QC1→NDB1, le processus se fait en présence d’un catalyseur au cobalt, immobilisé sur une surface de charbon.

On donne ci-dessous la structure du catalyseur (Figure 18) :

**Figure 18 – Structure du catalyseur.**

Phtalocyanine de cobalt : atome Co au centre, lié à quatre azotes ; le macrocycle comprend quatre motifs isoindole (chaque benzène fusionné à un cycle à cinq azoté), reliés par quatre azotes pontants. Aucun substituant périphérique n’est dessiné.

**59.** Écrire en justifiant la configuration électronique du cobalt (Z = 27), ainsi que celle de l’ion Co²⁺.

**60.** Discuter de l’influence du catalyseur sur la hausse de température maximale atteinte \(\Delta T_\infty\), en regard des questions 49 et 50.

On peut représenter le mécanisme catalysé selon le schéma cinétique suivant où C est le catalyseur et I l’intermédiaire réactionnel :

\[
\mathrm{QC + C \underset{k_{-1}}{\stackrel{k_1}{\rightleftharpoons}} I \stackrel{k_2}{\longrightarrow} NBD + C}
\]

**61.** En précisant les approximations effectuées, exprimer la vitesse de formation de NBD dans le cas du mécanisme catalysé, en fonction des concentrations en catalyseur et QC et des différentes constantes de vitesse.

Une étude de chimie quantique a permis de déterminer les structures et les énergies de l’intermédiaire et des états de transition (ET) associés à chaque acte élémentaire. L’ensemble des résultats est reporté ci-dessous sur la Figure 19.

**Figure 19 – Diagramme d'énergie de la réaction en présence du catalyseur.**

Énergies en kJ·mol⁻¹, référence QC + C à 0. Chaque palier est accompagné d’un schéma : le quadricyclane (ou le norbornadiène en fin de profil) au-dessus d’un fragment Co.

| Espèce | Énergie (kJ·mol⁻¹) | Schéma lu |
| --- | --- | --- |
| QC + C (ref) | 0 | QC séparé du fragment Co |
| ET1 | 90,8 | QC coordonné au Co, liaisons en pointillés |
| I | 18,8 | squelette ouvert, charges + sur le carbone et − sur le Co |
| ET2 | 38,9 | espèce coordonnée, en route vers le diène |
| NBD + C | −71,1 | norbornadiène séparé du fragment Co |

**62.** En déduire une simplification de la loi de vitesse déterminée précédemment ne faisant apparaître qu’une seule des trois constantes de vitesse.

Dans le cas du composé substitué QC1, il existe quatre isomères de l’intermédiaire I dont les énergies ont chacune été calculées et reportées ci-dessous dans la Figure 20 :

**Figure 20 – Énergie et structure des différents isomères de l'intermédiaire réactionnel** (en gris carbone, rouge oxygène, blanc hydrogène, bleu foncé azote, bleu clair cobalt).

Schéma type, en haut : bicycle ponté ouvert, carbocation (charge +) et cobaltate (charge −, deux liaisons en coin). Substituants notés R₁, R₂, R₃, R₄.

Énergies lues, et légendes imprimées :

- **I₁**, 0 (ref) : R₁ = *p*-MeOPh, R₂ = CN, R₃ = R₄ = H
- **I₂**, 12,0 kJ·mol⁻¹ : R₁ = CN, R₂ = *p*-MeOPh, R₃ = R₄ = H
- **I₃**, 66,6 kJ·mol⁻¹ : R₁ = R₂ = H, R₃ = CN, R₄ = *p*-MeOPh
- **I₄**, 86,8 kJ·mol⁻¹ : R₁ = R₂ = H, R₃ = *p*-MeOPh, R₄ = CN

À droite, quatre modèles boule-bâton I₁ à I₄ sur un réseau (surface). Le rouge (oxygène du méthoxy) et le bleu foncé (azote du nitrile) changent de position d’un isomère à l’autre ; le cobalt est bleu clair. Les indices R₁–R₄ ne sont pas réécrits sur les atomes des modèles.

**63.** Commenter les énergies relatives de ces 4 isomères et représenter le mécanisme le plus probable dans le cas du composé QC1, sous forme d’un cycle catalytique.

L’expérience de libération d’énergie en présence du catalyseur dans le même RPAC a été réalisée pour différentes concentrations initiales en QC1 et la température en sortie de réacteur a été mesurée et reportée sur le graphique de la Figure 21.

**Figure 21 – Simulation théorique (ligne noire) et points expérimentaux (points colorés) de la hausse de température en sortie du réacteur en fonction de la concentration en QC1.**

Abscisse : concentration en QC1 (mol·L⁻¹), de 0 à environ 1,8. Ordonnée : T − Tₑ (°C), de 0 à un peu plus de 60. Courbe noire croissante, d’abord un peu concave puis quasi linéaire. Points colorés (plusieurs séries) annotés, lectures approchées :

- vers 0,2 mol·L⁻¹ : 6 °C
- vers 0,55 mol·L⁻¹ : 27 °C (un carré ouvert est voisin de ce palier)
- vers 1,05 mol·L⁻¹ : 48 °C (deux points proches, l’un un peu au-dessus)
- vers 1,4 mol·L⁻¹ : 61 °C
- vers 1,55 mol·L⁻¹ : 63 °C

La courbe noire passe légèrement au-dessus de la plupart des points.

**64.** Commenter ce graphique en discutant en particulier des points suivants : l’allure de la courbe théorique et l’adéquation entre les points expérimentaux et la courbe théorique.

**65.** Représenter de manière schématique le graphique de la Figure 17 dans le cas du RPAC en présence du catalyseur.

**66.** En déduire l’intérêt du catalyseur dans l’étape de libération d’énergie. Pourquoi peut-on dire qu’un tel système permet le stockage de l’énergie lumineuse et sa conversion en chaleur « à la demande » ?

## Annexe 1 – Données spectroscopiques (IR et RMN)

**Table A1 – Bandes caractéristiques en spectroscopie infrarouge.**

| Liaison | Groupe d’atomes caractéristique | Fonction ou famille | Nombre d’onde σ (cm⁻¹) | Intensité |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| O–H (libre) | C–OH | Alcool | 3580–3670 | Forte |
| O–H (lié par liaison H) | C–OH | Alcool | 3200–3400 | Forte |
| O–H | COOH | Acide carboxylique | 3200–3400 | Forte |
| N–H | C–NH– | Amine, Amide | 3100–3500 | Moyenne |
| C–N | C≡N | Nitrile | 2220–2260 | Moyenne |
| C–H | Cycle benzénique, –C₆H₅ | Composés aromatiques | 3030–3080 | Moyenne |
| C–H |  | Alcane | 2810–3000 | Forte |
| C–H |  | Alcène | 3000–3100 | Moyenne |
| C=O | Carbonyle | Aldéhyde, Cétone | 1650–1730 | Forte |
| C=O | Carbonyle | Acide | 1680–1710 | Forte |
| C=O | CO–O–C | Ester | 1700–1740 | Forte |
| C=O | CO–N | Amide | 1650–1730 | Forte |
| C=C |  | Alcène | 1625–1680 | Moyenne |
| C–O |  | Alcool, acide, ester | 1050–1450 | Forte |
| C–C |  | Alcane | 1000–1250 | Forte |

**Table A2 – Déplacements chimiques de quelques groupes caractéristiques en spectroscopie RMN du proton.**

Échelle graphique δ (ppm), de 0 à 11, avec un cartouche « Hors échelle » vers 9–12. Les bornes ci-dessous sont lues sur les barres ; précision d’environ 0,3 ppm.

Composés insaturés :

- H₂C= : barre d’environ 4,5 à 6,2
- H–C= (alcène interne) : barre d’environ 5,2 à 7,6
- H aromatique (Ph–H) : barre d’environ 6,6 à 8,4
- H sur un cycle insaturé (barre plus courte, vers 5,6–6,8)

Hors échelle :

- H de CO₂H : environ 10–12
- H d’aldéhyde : environ 9,5–10

CH :

- H–C–O (alcool) : environ 3,3–4,2
- H–C–Br : environ 3,4–4,2 et, plus déblindé pour un CH allylique ou benzylique bromé, vers 4–5
- H–C–N : environ 2,2–3,0
- H de CHO (aldéhyde, rappel dans la zone CH) : vers 9–10, déjà dans le cartouche
- CH benzylique Ph–CH : environ 2,3–3,2
- CH allylique : environ 1,8–2,6

CH₂ :

- CH₂–Br : environ 3,2–3,8
- CH₂–O : environ 3,3–4,2
- CH₂–C=O : environ 2,0–2,8
- CH₂ benzylique Ph–CH₂ : environ 2,3–2,9
- CH₂ allylique : environ 1,8–2,5
- CH₂ de cyclopropane : environ 0,2–0,8
- CH₂ d’alcane : environ 1,0–1,6

CH₃ :

- H₃C–O : environ 3,2–3,8
- H₃C–S : environ 2,0–2,6
- Ph–CH₃ : environ 2,1–2,5
- CH₃ benzylique de type Ph–CH₂–CH₃ (le méthyle) : environ 1,0–1,4
- H₃C–C=O : environ 1,9–2,6
- H₃C–C= (allylique) : environ 1,5–2,0
- H₃C–Br : environ 2,5–2,8
- H₃C–O– (éther, déjà cité) et H₃C–C (alcane) : environ 0,7–1,4
- H₃C–N : environ 2,1–3,0
- méthyle d’isopropyle : environ 0,8–1,3

## Annexe 2 – Banque de conditions pour la mise en place de groupes protecteurs et leur déprotection

**Table A3 – Banque de réactions pour la mise en place de groupes protecteurs et leur déprotection.** ✓ : déprotection sous ces conditions, c’est-à-dire fournissant l’amine ou l’alcool initial. R : groupe protecteur réactif sous ces conditions, c’est-à-dire fournissant une autre fonction que l’amine ou l’alcool initial. Sans indication, le groupe protecteur est stable sous ces conditions. Pour les conditions acides, les groupes protecteurs sont déprotégés en-dessous du pH indiqué, et stables sinon.

Une case vide signifie stable. La première ligne d’alcool est imprimée « –CHO ».

| Fonction protégée | Groupement protecteur | RLi, RMgX | KH | LDA | Acide | Basique pH>12 | TBAF | H₂, Pd/C | Conditions usuelles de mise en place |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| Alcool | –CHO | ✓ | ✓ | ✓ | ≤1 | ✓ |  | ✓ | 85 % HCO₂H aq., 60 °C, 1 h |
| Alcool | –Ac | ✓ | R | ✓ | ≤1 | ✓ |  |  | Ac₂O, pyr, 20 °C, 12 h |
| Alcool | –BOM | R |  | R | ≤6 |  |  | R | BOMCl, (i-Pr)₂NEt, 20 °C, 12 h |
| Alcool | –Bn |  |  |  | ≤1 |  |  | ✓ | BnBr, NaH, THF, 25 °C, 3 h |
| Alcool | –TMS | ✓ | ✓ |  | ≤6 | ✓ | ✓ | ✓ | TMSCl, Et₃N, THF, 25 °C, 8 h |
| Alcool | –TBS |  |  |  | ≤2 | ✓ | ✓ |  | TBSCl, imidazole, DMF, 25 °C, 10 h |
| Amine | –Boc | ✓ |  |  | ≤2 |  |  |  | Boc₂O, THF, 40 °C, 24 h |
| Amine | –Fmoc | ✓ |  |  |  |  |  |  | FmocCl, NaHCO₃, dioxane aq., 12 h |
| Amine | –Alloc | ✓ |  |  | ≤2 |  |  | ✓ | AllocCl, pyr, 20 °C, 1 h |
| Amine | –Ac | ✓ |  |  |  | R |  |  | Ac₂O, pyr, 20 °C, 8 h |
| Amine | –Bz | ✓ |  |  | ≤1 | ✓ |  |  | BzCl, pyr, 0 °C, 8 h |
| Amine | –Bn |  |  |  |  |  |  | ✓ | BnCl, K₂CO₃ aq., 100 °C, 30 min |

## Annexe 3 – Quelques données physico-chimiques

Formules topologiques du THF et du toluène :

- **THF** : cycle à cinq, un sommet oxygène, quatre CH₂.
- **Toluène** : benzène portant un méthyle.

Enthalpies standard de dissociation de liaisons à 298 K :

- C–C : 350 kJ·mol⁻¹
- C=C : 620 kJ·mol⁻¹

Enthalpies standard de réaction à 298 K :

- QC(s) → NBD(s) : −113 kJ·mol⁻¹
- QC1(s) → NBD1(s) : −89 kJ·mol⁻¹

Potentiels standard à 298 K :

- E°(QC⁺/QC) = 0,56 V
- E°(NBD⁺/NBD) = 1,17 V

Ces potentiels standard sont donnés par référence au couple Fc⁺/Fc (ferrocénium/ferrocène) dans le dichlorométhane.

Numéro atomique du cobalt : Z(Co) = 27

- Constante de Boltzmann : \(k_B = 1{,}38 \times 10^{-23}\,\mathrm{J{\cdot}K^{-1}}\)
- Constante de Planck : \(h = 6{,}63 \times 10^{-34}\,\mathrm{J{\cdot}s}\)
- Constante des gaz parfaits : \(R = 8{,}31\,\mathrm{J{\cdot}mol^{-1}{\cdot}K^{-1}}\)
- Vitesse de la lumière : \(c = 3{,}00 \times 10^{8}\,\mathrm{m{\cdot}s^{-1}}\)
- Charge élémentaire : \(e = 1{,}60 \times 10^{-19}\,\mathrm{C}\)

\(\ln(k_B/h) = 23{,}8\)

\(RT \ln(10) / F = 0{,}059\,\mathrm{V}\) à 298 K