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PC · Chimie · semaine 30

Réactivité nucléophile des énolates

Équilibre de tautomérie céto-énolique, acidité d'un aldéhyde ou d'une cétone et généralisation à d'autres espèces énolisables. C-alkylation en position alpha d'un groupe carbonyle de cétone, avec mécanisme limite et régiosélectivité de l'alkylation des énolates. Aldolisation non dirigée en milieu basique aqueux ou alcoolique, aldolisation croisée dirigée après déprotonation totale, crotonisation par mécanisme E1cb et réaction de Michael sur une énone conjuguée.

Sommaire

Le cours

Résumé en cinq points

  1. Un hydrogène en alpha d'un groupe carbonyle a un pKa\mathrm{p}K_a voisin de 2020, car sa base conjuguée, l'énolate, est stabilisée par délocalisation de la charge vers l'oxygène.
  2. L'énolate est ambident. La charge est surtout sur l'oxygène, mais le plus gros coefficient de sa haute occupée est sur le carbone alpha, d'où la C-alkylation sous contrôle orbitalaire avec un halogénoalcane primaire.
  3. Base catalytique faible et conditions réversibles donnent l'énolate thermodynamique, le plus substitué. Base forte encombrée stœchiométrique à froid donne l'énolate cinétique, le moins encombré, et permet l'aldolisation croisée dirigée.
  4. L'aldolisation en milieu basique donne un aldol ou un cétol, avec groupe hydroxyle en bêta. La crotonisation, par mécanisme E1cb, déshydrate ce produit en composé conjugué et déplace l'équilibre.
  5. Sur une énone, un énolate attaque le carbone bêta, sous contrôle orbitalaire. C'est la réaction de Michael, qui donne un composé dicarbonylé en positions 11 et 55.
Pourquoi ce chapitre

Un composé carbonylé est connu depuis la première année comme électrophile par son carbone. Ce chapitre montre qu'il est aussi un précurseur de nucléophile. L'hydrogène porté par le carbone voisin du groupe carbonyle est acide, et la base conjuguée correspondante, l'énolate, possède un carbone nucléophile.

Une même molécule peut donc jouer les deux rôles, ce qui ouvre une famille de réactions de création de liaisons carbone-carbone.

  • Alkylation.
  • Aldolisation.
  • Addition de Michael.

Ces réactions sont utilisées en synthèse. On demande d'écrire les mécanismes, de justifier les sélectivités et de remonter aux réactifs par analyse rétrosynthétique.

Remarque

Le chapitre se traite avec une table de pKa\mathrm{p}K_a, toujours fournie. La plupart des questions se règlent en comparant deux valeurs.

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Méthodes et exercices

Exercices classiques corrigés

Rangés par thème, du plus simple au plus exigeant. Difficulté et durée indicatives.

Tautomérie et acidité 2

Exercice 1. Énols et faux énols ★

Application du cours · 15 min · Khôlle

Représenter les énols de la butanone et dire lequel est le plus stable.

Parmi le pent-1-én-2-ol et le pent-1-én-3-ol, identifier l'énol et donner le composé carbonylé correspondant.

Voir l'indice

Technique recenser les positions alpha, puis vérifier que OH est porté par un carbone de la liaison double.

Voir le corrigé offert
  1. La butanone, CH₃COCH₂CH₃, a deux positions alpha, le CH₃ et le CH₂.
  2. Côté CH₃ : CH₂=C(OH)CH₂CH₃, but-1-én-2-ol, sans stéréoisomérie.
  3. Côté CH₂ : CH₃C(OH)=CHCH₃, but-2-én-2-ol, en configurations E et Z. Trois énols en tout.
  4. Les but-2-én-2-ol sont les plus stables, leur liaison double est la plus substituée. Tous restent très minoritaires devant la cétone.
  5. Le pent-1-én-3-ol, CH₂=CHCH(OH)CH₂CH₃, porte OH sur un carbone tétragonal : c'est un alcool allylique, pas un énol.
  6. Le pent-1-én-2-ol, CH₂=C(OH)CH₂CH₂CH₃, est un énol. En ramenant l'hydrogène de OH sur le CH₂ terminal, on obtient la pentan-2-one.

piège : Oublier l'isomérie E et Z, ou l'inventer sur un carbone qui porte deux substituants identiques.

Exercice 2. Choisir sa base ★★

Classiques de khôlle et concours · 20 min · Khôlle

pKa\mathrm{p}K_a :

  • propanone 2020
  • pentane-2,4-dione 99
  • acétate d'éthyle 2525
  • eau 1414
  • éthanol 1616
  • diisopropylamine 3636
  • butane 5050

Bases : hydroxyde de sodium, éthanolate de sodium, LDA, butyllithium.

Pour chaque substrat, dire quelles bases conviennent.

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  1. Pentane-2,4-dione : K = 10⁵ avec l'hydroxyde, 10⁷ avec l'éthanolate. …

La suite du corrigé dans Sup et Spé+ : essai gratuit 7 jours.

Alkylation d'énolate 1

Exercice 3. Méthylation de la cyclohexanone ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Khôlle

La cyclohexanone est traitée par un équivalent de LDA dans le THF anhydre à −78 ∘C-78~^\circ\mathrm{C}, puis par l'iodométhane.

Écrire le mécanisme et justifier la liaison C-C.

Pourquoi le 2-iodopropane ne convient-il pas ?

Pourquoi la séquence échoue-t-elle sur le cyclohexanecarbaldéhyde ?

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  1. Déprotonation. Le doublet de l'azote attaque un hydrogène alpha, la liaison C-H devient liaison π C=C, la liaison π C=O bascule sur l'oxygène. …

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Aldolisation 2

Exercice 4. Éthanal en milieu basique ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Écrit CCINP

L'éthanal, dans une solution aqueuse diluée d'hydroxyde de sodium à froid, donne AA, C4H8O2\mathrm{C_4H_8O_2}.

Au chauffage, AA donne BB, C4H6O\mathrm{C_4H_6O}.

Identifier AA et BB, écrire les mécanismes et justifier la régiosélectivité.

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  1. L'hydroxyde arrache un hydrogène du CH₃ de l'éthanal. …

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Exercice 8. Cyclisation de l'hexane-2,5-dione ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Écrit CCINP

Chauffée avec de la potasse dans l'éthanol, l'hexane-2,5-dione, CH3COCH2CH2COCH3\mathrm{CH_3COCH_2CH_2COCH_3}, donne CC, C6H8O\mathrm{C_6H_8O}.

Identifier CC et justifier.

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  1. Positions alpha : C1 et C6 équivalents, C3 et C4 équivalents.

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Aldolisation croisée 2

Exercice 5. Aldolisation croisée dirigée ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Écrit CCINP

On veut préparer la 2-(1-hydroxypropyl)cyclohexan-1-one à partir de la cyclohexanone et du propanal.

Expliquer l'échec d'un simple mélange avec de la soude, puis proposer les conditions.

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  1. Rétrosynthèse : on coupe entre le carbone 2 du cycle et le carbone porteur de OH. …

La suite du corrigé dans Sup et Spé+ : essai gratuit 7 jours.

Exercice 7. Synthèse d'une chalcone ★★

Classiques de khôlle et concours · 25 min · Écrit e3a

On veut préparer la (E)-1,3-diphénylprop-2-én-1-one, C6H5COCH=CHC6H5\mathrm{C_6H_5COCH=CHC_6H_5}.

Proposer les réactifs et justifier que de simples conditions basiques catalytiques suffisent.

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  1. Addition formelle d'eau : 3-hydroxy-1,3-diphénylpropan-1-one.

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Racémisation et échange isotopique 1

Exercice 6. Racémisation et échange isotopique ★

Application du cours · 15 min · Khôlle

La (S)-3-méthylpentan-2-one est placée dans D2O\mathrm{D_2O} avec une quantité catalytique de NaOD\mathrm{NaOD}.

Comment évolue le pouvoir rotatoire ?

Quel produit obtient-on après un temps long ?

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  1. Positions alpha : C1, qui porte trois hydrogènes, et C3, qui en porte un. …

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Annélation de Robinson 1

Exercice 9. Annélation de Robinson ★★★

Approfondissement · 40 min · Type oral Centrale, niveau écrit Mines

La 2-méthylcyclohexane-1,3-dione réagit avec la butènone en présence d'une quantité catalytique de triéthylamine, dont l'acide conjugué a un pKa\mathrm{p}K_a voisin de 1111.

On obtient DD, C11H16O3\mathrm{C_{11}H_{16}O_3}.

Chauffé en milieu basique, DD donne EE, C11H14O2\mathrm{C_{11}H_{14}O_2}.

Identifier DD et EE, justifier chaque sélectivité.

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  1. L'hydrogène le plus acide est celui du C2, entre les deux carbonyles, avec un pKa de l'ordre de 10. …

La suite du corrigé dans Sup et Spé+ : essai gratuit 7 jours.

Fiche de cours rédigée à partir du programme officiel de PC (2021), partie « Transformations de la matière en chimie organique », paragraphe « Création de liaisons carbone-carbone », pour sa rubrique « Réactivité nucléophile des énolates ». Elle couvre :

  • la tautomérie céto-énolique ;
  • l'acidité en position alpha ;
  • la C-alkylation des énolates ;
  • l'aldolisation non dirigée et dirigée ;
  • la crotonisation ;
  • la réaction de Michael.

Au concours

Les questions des sujets corrigés qui travaillent ce chapitre. La première question de chaque sujet est en accès libre.

CCINP 2025, PC, Chimie

  • Q7 Énolate et aldolisation
  • Q8 à Q11 Réaction de Cannizzaro
  • Q20 et Q21 Déshydratation de l'aldol en milieu acide et basique