Le cours
Résumé en cinq points
- Trois activations organisent le chapitre : rendre un groupe partant meilleur, rendre un carbone plus électrophile par protonation, rendre un site plus nucléophile par déprotonation.
- L'ester sulfonique et l'ion alkyloxonium font d'un alcool un substrat de substitution ou d'élimination. Les mécanismes et sont concertés et stéréospécifiques ; les mécanismes et passent par un carbocation.
- En milieu acide, toutes les réactions du carbonyle sont renversables : acétalisation, estérification, hydrolyses. On les déplace en retirant l'eau ou en l'ajoutant en excès.
- La déprotonation en d'un carbonyle donne un énolate, nucléophile qui crée des liaisons carbone-carbone : C-alkylation, aldolisation, Claisen. La crotonisation, conjuguée et irréversible, déplace l'aldolisation.
- Une synthèse multi-étapes s'analyse par l'ordre des étapes, les activations, les protections, le rendement global et l'impact environnemental.
Pourquoi ce chapitre
Quand une espèce n'est pas assez réactive, on l'active.
- Un alcool n'est pas un bon substrat de substitution : on le transforme en ester sulfonique ou on le protone.
- Un carbonyle n'est pas assez électrophile : on le protone.
- Un carbone n'est pas assez nucléophile : on le déprotone en énolate.
S'y ajoute la stratégie de synthèse, l'art d'ordonner les étapes et de protéger ce qui doit l'être.
Les exemples viennent :
- de la chimie du vivant, des sucres en particulier ;
- de la chimie fine ;
- de la chimie industrielle.
Aux concours, on demande :
- un mécanisme ;
- une justification de sélectivité ;
- un commentaire de séquence.
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Méthodes et exercices
Exercices classiques corrigés
Rangés par thème, du plus simple au plus exigeant. Difficulté et durée indicatives.
Choix d'une base 1
Exercice 1. Choisir une base ★
Application du cours · 15 min · Khôlle
On veut déprotoner quantitativement l'acide éthanoïque, l'éthanol et la propanone.
Les bases disponibles sont l'hydroxyde de sodium, l'éthanolate de sodium, l'hydrure de sodium et le diisopropylamidure de lithium (LDA).
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Technique calculer K = 10 puissance ΔpKa.
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- Acide éthanoïque (4,8) et hydroxyde (14) : K = 10⁹, quantitatif. La base la plus faible qui suffit est la meilleure.
- Éthanol (16) et hydroxyde : K = 10⁻², insuffisant. L'hydrure convient, car le dihydrogène formé quitte le milieu.
- Propanone (20) et éthanolate : K = 10⁻⁴. L'énolate est présent en faible quantité, ce qui suffit à une aldolisation catalytique mais pas à une déprotonation totale.
- Propanone et LDA (36) : K = 10¹⁶, quantitatif, dans le THF anhydre à basse température.
piège : Utiliser un amidure en milieu aqueux. Il serait détruit par l'eau avant d'atteindre la cétone.
Substitution nucléophile 2
Exercice 5. Deux éther-oxydes ★
Application du cours · 15 min · Khôlle
Proposer une synthèse du 2-méthoxy-2-méthylpropane et une de l'éthoxybenzène.
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- Premier éther : on forme le 2-méthylpropan-2-olate par l'hydrure de sodium, puis on ajoute l'iodométhane. …
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Exercice 2. Deux voies vers un bromure chiral ★★
Classiques de khôlle et concours · 25 min · Khôlle
On part du (R)-butan-2-ol.
Voie A : HBr concentré à chaud.
Voie B : chlorure de tosyle et pyridine, puis bromure de sodium dans l'acétone.
Quels produits obtient-on, avec quelle stéréochimie ?
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- Voie A : l'alcool secondaire est protoné. …
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Élimination 2
Exercice 3. Déshydratation du pentan-2-ol ★★
Classiques de khôlle et concours · 20 min · Khôlle
Le pentan-2-ol est chauffé avec de l'acide phosphorique concentré. Écrire le mécanisme, puis prévoir les produits et le produit majoritaire.
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- Protonation rapide de l'oxygène, puis départ lent de l'eau, qui forme le carbocation pentan-2-yle.
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Exercice 4. Stéréospécificité de l'E2 ★★
Classiques de khôlle et concours · 30 min · Type écrit Agro-Véto
On traite les stéréoisomères (2R,3R) et (2R,3S) du 2-bromo-3-méthylpentane par l'éthanolate de sodium dans l'éthanol, à chaud. Prévoir le produit majoritaire de chacun.
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- Régiosélectivité : l'hydrogène de C3 est arraché, ce qui donne le 3-méthylpent-2-ène, trisubstitué, plutôt que le 3-méthylpent-1-ène.
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Stratégie de synthèse 1
Exercice 6. Protéger une cétone ★★
Classiques de khôlle et concours · 25 min · Type écrit G2E
On veut transformer le 4-oxopentanoate d'éthyle en 5-hydroxypentan-2-one.
La banque de réactions indique que , dans l'éther anhydre et suivi d'une hydrolyse, réduit cétones et esters en alcools.
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- LiAlH₄ réduirait aussi la cétone. …
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Stéréochimie des sucres 1
Exercice 7. Mutarotation du glucose ★★
Classiques de khôlle et concours · 25 min · Type écrit Agro-Véto
Le pouvoir rotatoire spécifique vaut pour l'-D-glucopyranose, pour l'anomère et à l'équilibre.
Calculer la composition, justifier le sens de l'équilibre et interpréter l'évolution observée.
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- En négligeant la forme ouverte : 112x + 18,7(1 − x) = 52,7, d'où x = 0,36. …
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Équilibre d'estérification 1
Exercice 8. Estérification de Fischer ★★
Classiques de khôlle et concours · 25 min · Type écrit G2E
On mélange d'acide éthanoïque et d'éthanol, avec .
Donner le rendement à l'équilibre, puis le recalculer avec d'éthanol.
Discuter du marquage isotopique de l'éthanol par l'oxygène 18.
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- x²/(1 − x)² = 4, donc x = 2/3, soit 67 %.
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Formation de liaison C–C 2
Exercice 9. Préparer une énone conjuguée ★★
Classiques de khôlle et concours · 30 min · Type oral ENS
On veut préparer la (E)-4-phénylbut-3-én-2-one à partir de propanone et de benzaldéhyde.
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- Coupure de la double liaison conjuguée : on remonte au 4-hydroxy-4-phénylbutan-2-one, puis à l'énolate de propanone et au benzaldéhyde.
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Exercice 10. Claisen puis alkylation ★★★
Approfondissement · 40 min · Plus exigeant, d'après un écrit ENS BCPST
L'éthanoate d'éthyle est traité par un équivalent d'éthanolate de sodium, puis le milieu est acidifié.
Le produit est ensuite remis en présence d'éthanolate, puis d'iodométhane.
Corrigé détaillé dans Sup et Spé+ : essai gratuit 7 jours.
Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de BCPST deuxième année (2021), thème C, paragraphe C.8. Elle couvre les notions transversales, les mécanismes exigibles faisant intervenir une activation de l'aptitude nucléofuge, du caractère électrophile ou du caractère nucléophile, et la stratégie de synthèse. Seules les transformations citées par le programme sont exigibles.