République Algérienne Démocratique et Populaire

Ministère d'enseignement supérieure et de la recherche scientifique

Université de Jijel

Faculté des sciences exactes

Département de Chimie

1 ère Année mastère Chimie Organique; LMD

C:400 (Chimie organique approfondi)

Exposé sur:

Réalisé par:
Belhammou Seifeddine
 Année Universitaire:2009/2010
Plan du Travail

Les réactions électrocycliques:

Introduction
Les bicycles et leurs stéréochimies
Réaction de Diels-Alder
Réaction de cycloaddition dipolaire 1-3
Réaction de cycloaddition [2+2]
Réactions électrocycliques
Les réarrangements sigma-tropic
Les réactions photochimiques:
Introduction
Réactions photochimiques des alcènes, des diènes et des
polyènes
Réactions photochimiques des dérivés carbonylés
Réactions photochimiques des dérivés aromatiques

Conclusion

2
 Les réactions éléctrocycliques

Introduction

Les cycloadditions sont des réactions mettant en jeu deux partenaires. Au cours de la
réaction, les deux partenaires vont se lier pour former un cycle.

L'exemple ci-dessus représente une cycloaddition de type [4+2] aussi appelé réaction
de Diels-Alder . Réaction de [4+2] signifie qu'un des partenaires possède 4 électrons qu'il peut
mettre en jeu, et l'autre possède 2 électrons. La réaction met donc globalement en jeu 6
électrons. Or pour former une liaison (ici on en forme deux) il faut 2 électrons. Conclusion,
dans notre cas on utilise 4 électrons, il en reste 2 que l'on retrouve sous la forme d'une
liaison dans la partie appartenant initialement au diène. Le partenaire à 4 électrons est le
diène (diène, deux doubles liaisons) et le partenaire à 2 électrons est le diènophile (entité qui
veut s'additionner à un diène). Le produit de la réaction est un cycloadduit.

Les bicycles et leurs stéréochimies

Les réactions de cycloaddition

Définition : Une réaction de cycloaddition est caractérisée par l’union de deux systèmes π
dans laquelle des liaisons σ vont être formées au dépend de liaisons π. La réaction inverse est
appelée cycloréversion. Les cycloadditions peuvent être également intramoléculaires, mais
elles doivent alors faire intervenir des systèmes π indépendants.
Classification : on indique le nombre d’électrons impliqués par les différents partenaires pour
définir la réaction. Il est possible de préciser le type de liaisons impliquées dans la réaction.

3
Définitions 2 : Suprafacial vs. Antarafacial. Cette dénomination désigne les sites de réactions
des partenaires sur les lobes des orbitales p qui vont former les nouvelles liaisons σ.
Woodward et Hoffmann ont défini une addition suprafaciale comme une addition sur les lobes
d’un même coté d’un système π. Si l’addition se fait sur des lobes opposés, on parle alors
d’addition antarafaciale. Il convient alors de définir l’addition sur tous les partenaires de la
réaction de cycloaddition.

La réaction de Diels-Alder

Cette réaction fut tout d’abord découverte en 1906 par Albrecht qui a rapporté la réaction
entre le cyclopentadiène et la p-benzoquinone. En 1928, Otto Diels (1876-1954) et son
étudiant Kurt Alder (1902-1958) ont décrit cette réaction et récurent le Prix Nobel de chimie
en 1950 pour leur découverte. Cette cycloaddition (4+2) est l’une des plus utilisées en chimie
organique pour la construction de cycle (2007 : 29000 références sur la base de données

4
Science Finder en utilisant Diels-Alder comme mot clef).

Traitement FMO de la réaction de Diels-Alder :

Théorème de Fukui : Etant donné que plus les orbitales sont proches, plus leur interaction est
forte. On ne considérera que les interactions correspondant aux deux paires d’orbitales
moléculaires occupée-vacante les plus proches et on négligera tout le reste.
On considère donc le modèle standard de la réaction entre l’éthylène (diènophile) et le
butadiène (diène) et on regarde les niveaux énergétiques des OF des deux partenaires.

On compare les différences d’énergie entre HO(diène)-BV(diènophile) et HO(diènophile)-

BV(diène). On voit immédiatement que le plus petit gap d’énergie correspond à la première
possibilité, ce qui implique que le composé « riche en électrons » (nucléophile) sera le diène
et le composé « pauvre en électrons » (électrophile) sera le diènophile.
Les deux OF considérées sont de même symétrie et on vérifie sans problème que la réaction
est de type suprafaciale pour les deux partenaires de réaction :

Réactivité chimique : Deux facteurs sont ici à considérer : la conformation des diènes et les
substituants sur les partenaires de réaction.
Conformation :

Les diènes acycliques sont le plus souvent en équilibre cissoïde-transoïde et seule la forme cis
réagit dans la réaction de Diel-Alder. Les deux formes étant en équilibre, l’effet de

5
déplacement d’équilibre pourra jouer pour permettre la réaction. Dans les cas ou la forme cis
est trop déstabilisée, la réaction pourra être ralentie, voire interdite. Les diènes cycliques pour
lesquels la forme cis est bloquée seront en général plus réactifs. C’est le cas du
cylopentadiène qui est l’un des diènes les plus réactifs et qui dimérise spontanément à
température ambiante (il est nécessaire de réaliser un cracking du dimère pour récolter le
cyclopentadiène par distillation).
Effets électroniques par substitution sur le diènophile et le diène :
Diène :le diène peut être substitué sur au moins deux positions différentes par des groupes
électrodonneurs (X) ou électrocapteurs Z. Le diène devient à ce moment la non symétrique
(les aspects de régiosélectivités seront traités par la suite), mais l’énergie des OF du diène
seront modifiés par l’introduction de ces groupes :

L’introduction de substituants a non seulement une influence sur les niveaux d’énergie, mais
également une influence sur les coefficients de chaque OA. Le diène est alors dissymétrique
et les valeurs de coefficients vont dépendre de la position de substitution et du groupe
introduit. L’introduction d’un groupe électrocapteur va avoir pour effet de diminuer
globalement l’énergie des OF tandis qu’un groupe donneur aura l’effet inverse. Dans une
13
réaction de Diels-Alder normale, les diènes les plus enrichis en électrons seront donc les plus
réactifs. L’introduction de groupes donneurs a donc un effet positif sur la réactivité (cinétique
des diènes) :
Valeurs des énergies des OF-HO de quelques diènes (en eV)

Partie diènophile : le même raisonnement va être utilisé en considérant la BV du diènophile.

On substitue l’éthylène par différents groupes capteurs et accepteurs et on calcule l’énergie de
la BV correspondante.
Valeurs des énergies des OF-BV de quelques diènophiles (en eV)

Une constatation logique montre ici également que l’introduction de groupes électrocapteurs
va permettre de diminuer la BV du diénophile. En diminuant la BV du diénophile et en
augmentant la HO du diène, on va diminuer le gap d’énergie entre les deux OF et donc activer
la réaction. Ceci a été très rapidement démontré par l’expérimentation et la majorité des
réactions de Diels-Alder à demande normale utilisent des diènophiles actives par des groupes
électrocapteurs.

6
Une possibilité complémentaire pour accélérer les réactions de Diels-Alder faisant intervenir
des diènophiles activés par des groupes électrocapteurs est d’utiliser une quantité catalytique
d’un acide de Lewis. Ce dernier va se complexer réversiblement (équilibre) au groupe capteur

et diminuer la densité électronique de l’oléfine. L’énergie de la BV du diénophile va donc

diminuer et la réaction sera accélérée.
Récapitulatif des effets sur l’énergie des OF :

Les effets de catalyse sont très importants et fréquemment utilisé dans les réactions de Diels-
Alder car elles permettent souvent de travailler dans des conditions douces (en évitant par
exemple le chauffage qui peut polymériser les partenaires de la réaction). Cet effet implique
néanmoins que l’acide de Lewis doit pouvoir se coordonner et décoordonner rapidement des
partenaires dienophile et adduits pour que la catalyse soit effective :

Stéréosélectivité dans la réaction de Diels-Alder

1-En fonction des substituants sur le diène et le diénophile

7
Exemples :

Ces exemples montrent qu’il y a une conservation de la stéréochimie pour des substituants
portés par le diène ou le diènophile (on ne s’intéresse pas pour le moment à la configuration
relative entre les substituants du diène avec les substituants du diènophile). Par exemple, deux
substituants en cis sur la double liaison du diènophile se retrouveront en cis dans l’adduit. Le
mécanisme concerté de type supra-supra pour la cycloaddition permet d’expliquer cette
stéréospécificité. On regarde le recouvrement des OF qui vont former les liaisons σ et on en
déduit la configuration relative sur chaque carbone substitué.
Exemples :

2-Stéréochimie relative entre les substituants apportés par le diène et le diènophile. Sélectivité
Endo-Exo. Règle d’Alder.
On considère la réaction de Diels-Alder entre le cyclopentadiène et l’acrylate de méthyle.
L’approche du diènophile sur le diène peut se faire de quatre manières différentes pour donner
quatre stéréoisomères sous la forme de deux paires d’énantiomères.

8
Il est important de voir que si on sélectionne une face d’attaque sur le diène (par-dessous par
exemple, deux dessins du bas), le substituant ester peut se positionner de deux manières
différentes par rapport aux doubles liaisons du diène : Si l’ester est positionné vers le diène,
on parle d’approche endo (cela correspond à l’état de transition le plus compact). Dans l’autre
cas, on parle d’approche exo et on obtient le diastéréoisomère du dia endo. Notons que si on
réalise l’attaque du diènophile par la face supérieure du diène (deux dessins du dessus), on
obtient encore deux dias endo/exo, deux isomères formant les deux énantiomères des deux
premières combinaisons.
Expérimentalement, on observe le plus souvent une sélectivité en faveur de l’isomère endo.

Par exemple, la réaction thermique entre le cyclopentadiène et l’acrylate de méthyle donne un

mélange 76 :24 d’adduits endo : exo. Cette réaction est en fait sous contrôle cinétique (la
réaction de Diels-Alder est potentiellement réversible, la réaction inverse est appelée réaction
de rétro Diels-Alder). L’adduit endo est celui qui passe donc par l’état de transition de plus
basse énergie. L’adduit exo est le plus stable thermodynamiquement et pourra dans certains
cas être obtenu majoritairement si on se place en conditions thermodynamiques.
On interprète de manière générale la sélectivité endo par le concept d’interactions d’orbitales
secondaires. Le principe est résumé dans le schéma suivant :

Lors du repliement de la structure du diènophile sur le diène (approche endo), on considère

qu’à coté des interactions orbitalaires primaires qui vont former les nouvelles liaisons s'il
existe des interactions secondaires stabilisant l’état de transition entre les orbitales du diène et
les orbitales du groupe substituant le diènophile.
Note : Cette règle est à prendre avec beaucoup de précautions car les effets de sélectivité endo
peuvent être très facilement contrebalancés par des effets stériques.
Régiosélectivité de la réaction de Diels-Alder :
Lorsqu’un les deux partenaires de la réaction de Diels-Alder ne sont pas symétriques, la
cycloaddition peut conduire à deux régioisomères (appelés ortho et méta en fonction des
positions des substituant sur l’adduit. L’expérience montre une régiosélectivité dans la

9
majorité de ces réactions :

Les premières observations montrent que dans le cas d’un diène substitué en position 1 par un
groupe donneur et un diènophile substitué par un groupe capteur (conditions favorables pour
la réactivité), le produit « ortho » est formé majoritairement. On fait la même observation
pour les diènes substitués en position 2 par un groupe donneur (on parle d’adduit ortho par
abus de langage pour les deux substituant qui se trouvent en para l’un de l’autre dans le
cycloadduit). La généralisation de cette sélectivité est appelée Règle ortho. On note également
que l’utilisation d’un acide de Lewis, non seulement accélère la réaction, mais conduit
également à une amélioration de la régiosélectivité de la cycloaddition.
La régiosélectivité s’explique simplement en calculant les OF des partenaires de la réaction
par la méthode LCAO. Les partenaires n’étant plus symétriques, les coefficients des OA sur
chaque carbone ne sont pas équivalents et vont dépendre du type de substituant (donneur ou
accepteur) et de la position.

Les recouvrements optimum vont se faire préférentiellement avec des orbitales de tailles
similaires. On regarde donc les coefficients des OA sur chaque carbone participant à la
formation des nouvelles liaisons et on en déduit la régiosélectivité de la réaction de
cycloaddition (recouvrements « gros lobe-gros lobe » et « petit lobe-petit lobe »).
On comprend également de manière intuitive que la complexation du diènophile avec un
acide de Lewis ca contribuer à attirer les électrons vers l’acide et modifier les coefficients des
OA sur les OA du diènophile.
Note : Il existe un moyen mnémotechnique très simple pour retrouver les poids relatifs des
coefficients sur les carbones terminaux des diènes et des diènophiles en utilisant les formules
de résonnance.

10
 Les réactions de cycloaddition dipolaires-1,3 :
Les réactions 1,3-dipolaires sont aussi des réactions de cycloaddition. Elles font intervenir un
dipôle c'est-à-dire une espèce qui possède des charges mais qui est globalement neutre, et un
dipolarophile qui a donc une certaine affinité pour le dipôle.
De nombreux hétérocycles pentagonaux, donc constitués d’atomes de
carbones et d’autres éléments comme l’oxygène, l’azote, le soufre, sont
préparés par des réactions dites de cycloaddition [2 + 3] (Les réactions
1,3-dipolaires ),qui font intervenir d’une part, un alcène (et parfois
d’autres doubles liaisons) ou un alcyne (ou un nitrile), appelé
dipolarophile, et d’autre part, des composés ou entités chimiques
mésomères le plus souvent instables, libérées in situ et appelées dipoles-
1,3 (schéma 9.54). Ces dipôles sont constitués de trois atomes principaux
X-Y-Z liés entre eux, et dont les deux atomes terminaux, X et Z, sont
susceptibles de porter des charges de signes contraires dans une des
formes limites entre lesquelles ils résonnent.

11
Note : par simplification des schémas, les doublets d’électrons sont
représentés exceptionnellement par des tirets.
À titre d’exemple, les dihydrotriazoles sont souvent synthétisés par action
d’un azide d’alkyle ou azidoalcane, RN3, sur un alcène. Le groupe N3,
azido, résonne entre deux formes limites dont l’une affecte deux charges
de signes contraires aux deux atomes d’azotes terminaux. Cela permet
une attaque de type électrophile de ce groupe sur l’alcène et déclenche le
mécanisme de cycloaddition [2 + 3]. La même réaction effectuée avec un
alcyne conduit aux triazoles. L’acide azothydrique, HN3, réagit avec un
nitrile pour former un tétrazole. Il existe essentiellement 2 types de
dipoles 1,3.
Les Les dipoles-1,3 de type 1 ont les caractéristiques suivantes:

dans une forme limite du dipole, l’atome Z chargé positivement (sextet

d’électrons) forme une double liaison avec l’atome central Y neutre, et
dans une autre
forme limite, Z est neutre, mais forme alors une triple liaison avec l’atome
central Y chargé positivement ;

12
Si X, Y, et Z appartiennent aux 3 premières périodes du tableau de
Mendéléiev, Y ne peut être qu’un atome d’azote, Z, un atome de carbone
ou d’azote et X, un atome de carbone, d’oxygène ou d’azote.
Il existe des dipoles-1,3 assez stables comme les diazoalcanes, les azides
ou l’oxyde nitreux, et d’autres dipoles-1,3 qui sont instables comme les
oxydes, imines ou ylures de nitriles souvent formés in situ par
déshydrohalogénation en milieu basique d’un dérivé halogéné adéquat ou
par chauffage d’un composé hétérocyclique est apparu a la schéma
suivant:

Les dipoles-1,3 de type 2 ont les caractéristiques suivantes:

dans les formes limites de ce dipôle, l’atome chargé positivement Z forme

avec l’atome central Y une simple ou double liaison. Dans ce dernier cas, Z
devient neutre et la charge est portée par Y ;
Si X,Y, et Z appartiennent aux 3 premières périodes du tableau de
Mendéléiev, Y ne peut être qu’un atome d’azote ou d’oxygène, X et Z
peuvent être des atomes d’oxygène, d’azote ou de carbone.

13
Quelques dipôles-1,3 sont stables comme les composés nitrés, azoxy, les
nitrones et l’ozone. Par contre les ylures de carbonyles, de thiocarbonyles
et les azimines sont préparés in situ est
Les dipolarophiles sont nombreux . La plupart sont des alcènes ou alcynes
acycliques activés par des groupes électroattracteurs -M. Il faut y ajouter
le benzène , un benzène dont une double liaison a été remplacée
par une triple liaison (composé instable), l’anhydride maléique et le
maléimide, composés cycliques, les hétérocumulènes, noms donnés à des
composés formés de deux doubles liaisons successives
faisant intervenir des hétéroéléments, et des fonctions comme les nitriles,
les imines ou
les azodicarboxylates.

Dérivés d ’alcènes :
CH2=CH-CN, acrylonitrile, CH2=CH-COOR (R = alkyl), acrylates,
CH2=C(Me)-COOR, (R = alkyl),
CH2=CH-CO-R (R = alkyl ou aryl), vinyl cétones,
Ph-CH=CH-NO2, 1-nitro-2-phényléthylène,
EtCO2-CH=CH-CO2Et (Z et E), maléates ou fumarates d’éthyle,
NC-CH=CH-CN (E), 1,2-dicyanoéthylène,
CH2=CH-Ph, styrène,
Ph-CH=CH-Ph, trans-stilbène.

Dérivés d’alcynes :
R-C_C-R_ (R et R_ = aryl ou hétéroaryl), alcynes internes,
R-C_CH (R = aryl ou hétéroaryl), alcynes terminaux,
RO2C-C_C-CO2R (R = Me ou Et), acétylène dicarboxylate,
NC-C_C-CN, dicyanoacétylène,

14
R-CO-C_C-CO-R_ (R = Me, Et, R_ = aryl ou hétéroaryl),
HC_C-CO2R (R = Me ou Et), propiolates.
Benzyne

Il faut y ajouter, pour généraliser la réaction, et bien qu’ils ne soient ni des

alcènes ni des alcynes, les composés suivants :
Hétérocumulènes (plusieurs insaturations consécutives faisant intervenir
des hétéroéléments et un carbone) : R-N=C=O, isocyanates, R-N=C=S
(R = alkyl ou aryl), thioisocyanates, R-CO-N=C=O, N-acylisocyanates,
R-CO-N=C=S (R = aryl ou CCl3), N-acylisothiocyanates. Fonctions
simples : R-C_N, nitrile, R-C(R)=N-R_ (R et R_ = alkyl ou aryl), imines,
Et-COO-N=N-COOEt, azodicarboxylate d’éthyle.
Cas particulier de la cycloaddition de l’ozone, et ozonolyse L’addition de
l’ozone sur un alcène est une cycloaddition [2 + 3] qui conduit à un
molozonide. Ce composé se réarrange pour fournir l’ozonide dans lequel la
liaison entre atomes de carbones est rompue. Il peut aussi se former un
diperoxyde comme composé secondaire qui provient d’une dimérisation
d’un dipôle-1,3 intermédiaire.

15
La réaction a lieu dans le chloroforme ou le tétrachlorure de carbone
comme solvant. Les ozonides sont très sensibles à l’hydrolyse. En
présence d’eau, ils sont ouverts pour former des cétones ou des aldéhydes
selon les substituants des carbones « sp2 » de l’alcène traité.

16
 Les réactions de cycloaddition [2+2]
1. Les cycloadditions [2+2] photochimiques
Le principe général des réactions de cycloaddition [2+2] photochimiques est représenté
cidessous.

Cette méthode est très utilisée pour la préparation de dérivés cyclobutanes (et oxétanes dans le
cas du cycle oxygéné). Le principe de la réaction utilisant la théorie FMO reprend le
raisonnement déjà établi dans le cas des électrocyclisations photochimiques. On reprend le
diagramme des OM de l’éthylène.

On en déduit qu’un processus photochimique [2+2] supra-supra est autorisé pour former le
cycle à 4 chainons. On doit donc s’attendre en théorie à un contrôle stéréochimique qui va
dépendre des substituants sur les partenaires de la réaction :

Cette hypothèse implique que les deux partenaires sont dans un état excité en même temps.
Dans la majorité des cas, on va travailler sur deux partenaires différents, dont l’un des deux va
absorber plus facilement le rayonnement UV (une cétone α,β insaturée par exemple). Le
mécanisme va faire apparaitre un intermédiaire biradicalaire par interaction de la SO d’un des
partenaires avec les deux OM du second partenaire.:

17
Dans la majorité des cas, la réaction reste néanmoins stéréospécifique pour les deux
partenaires de la réaction :

Dans cet exemple, l’isomère trans moins encombré est formé mais la jonction reste cis pour
les deux partenaires.
La réaction sur des partenaires non symétriques montre une régiosélectivité pour la
cycloaddition :

Une manière d’expliquer cette sélectivité consiste à regarder les OF responsables de la

formation des nouvelles liaisons. On peut considérer la HO et les coefficients correspondants
pour schématiser la SO du partenaire à l’état excité :

Quelques exemples en série inter et intramoléculaire sont représentées dans le schéma

18
suivant :

Les réactions électrocycliques

Réactions électrocycliques : une fermeture de cycle par processus électrocyclique est la
formation d’une nouvelle liaison σ au dépend des orbitales p terminales d’un système pi
conjugué. Il y a dans ce cas une réorganisation du système conjugué pi. La classification
s’effectue par le nombre d’électrons engagés dans la réaction. Le processus d’ouverture de
cycles est également possible par le même mécanisme.
Exemples :

Le plus souvent, la réaction thermique ira vers la formation d’un cycle car elle permet de
convertir un système π (Energie de dissociation de liaison de l’ordre de 63kcal/mol) en une
liaison σ (Energie de dissociation de l’ordre de 85kcal/mol). Une exception concerne, par
exemple, les cyclobutènes pour lesquels l’élimination de la tension de cycle va largement
compenser la conversion σ->π.
Ouverture/fermetures électrocyclique : stéréochimie
Les substituants sur les carbones qui forment ou ouvrent le cycle peuvent tourner selon deux
processus : conrotatoires ou disrotatoire. Selon le processus, la stéréochimie sur les carbones
sp3 ou sp2 sera différente.

19
termes de réaction « électrocycliques » et péricycliques ainsi que « conrotatoire » et
disrotatoires ont été introduits en 1965 par Robert B. Woodward (1917-1978, Prix Nobel en
1965 pour ses travaux de pionnier dans le domaine de la synthèse totale de produits naturels,
ex cholestérol, quinine, strychnine, chlorophylle) et Roald Hoffmann (b 1937, Prix Nobel
avec K. Fukui pour ses travaux sur la théorie des orbitales moléculaires et les réactions
péricycliques).
Ils ont montré que les stéréochimies de certaines réactions péricycliques étaient gouvernées
par des règles de sélection, à partir desquelles certains stéréoisomères sont autorisés ou
interdits (on parle également de réactions autorisées ou interdites. Ce terme se réfère surtout
aux énergies de réactions relatives pour des processus « autorisés » ou « interdits »).
Règles de Woodward-Hoffmann :
-Première règle : une réaction électrocyclique thermique impliquant 4n électrons est autorisée
si elle procède par un processus conrotatoire. Les processus thermiques impliquant 4n+2
électrons sont autorisés s’ils procèdent par un processus disrotatoire.
Exemple :

20
L’isomérisation du benzène de Dewar en benzène est exothermique d’environ 79kcal/mol.
Hors le gain en aromaticité et la perte de la tension de cycle de deux cyclobutène devrait en
faire un processus favorisé. L’isomérisation passe par un processus disrotatoire interdit. Le
processus conrotatoire autorisé donnerait un cyclohexatriene possédant une double liaison
trans dans le cycle qui est rendu impossible par la tension de cycle.
3
Traitement théorique des règles de Woodward-Hoffmann par la théorie des orbitales
moléculaires :
Il existe différentes approches théoriques pour le traitement des règles de Woodward-
Hoffmann :
-Fukui : Théorie FMO (frontier molecular orbitals)
-Dewar-Zimmerman : Etats de transition aromatiques : Anneaux de Hückel et Möbius
-Woodward-Hoffmann : Diagrammes de corrélation et conservation de la symétrie des
orbitales.
On retiendra ici la théorie FMO qui est plus simple à manipuler et plus généralisable.
Symétrie des orbitales et méthode LCAO (linear combination of atomic orbital) : la
combinaison de deux orbitales atomiques peut donner naissance à une orbitale de type liante
ou antiliante selon la phase des deux OA de base

Si les orbitales atomiques sont décrites par les fonctions φ1 et φ2, la méthode LCAO donne
une définition de l’orbitale moléculaire sous la forme d’une combinaison linéaire d’orbitales
atomiques ψ1 = c1φ1+c2φ2. Les coefficients ci sont proportionnels à la contribution des OA
correspondantes à l’OM et le carré de chaque coefficient est proportionnel à la densité
électronique dans l’environnement de chaque atome.

La combinaison des deux orbitales atomiques p donne deux niveaux π liant et π* antiliante.

21
On définit également la notion d’orbitales frontières en remplissant les niveaux avec les
électrons apportés par les OA de départ. L’OM liante occupée de plus haute énergie aura en
général un rôle de « nucléophile » et est appelé la Haute Occupée (Highest Occupied
Molecular Orbital). L’OM antiliante vacante de plus basse énergie aura en général un rôle
« d’électrophile » et est appelée la Basse Vacante (Lowest Unnocupied Molecular Orbital).
On remarque que la π* possède un point nodal, c'est-à-dire un centre d’antisymétrie (on dit
que l’orbitale est antisymétrique par rapport au plan nodal, c'est-à-dire par rapport au plan de
symétrie de la molécule). L’OM π, elle, est symétrique par rapport à ce plan.
On va utiliser cette règle pour construire les diagrammes d’OM de systèmes p
polyatomiques : Le niveau le plus bas ne possède pas de node, puis on ajoute un node en
remontant à chaque niveau. Les niveaux sont donc successivement symétriques puis
antisymétrique par rapport au plan central.
Exemple du butadiène :

Traitement FMO des réactions électrocycliques : On considère que les interactions

primordiales responsables de la formation des nouvelles liaisons sont régies par les orbitales
frontières (cf cycloadditions). Pour les réactions électrocycliques, on regardera la HO puis les
interactions entre les orbitales p qui vont former la liaison σ. Le sens dans lequel il est
nécessaire de tourner les orbitales p pour former une interaction constructive (signes des lobes
équivalents donnant une interaction liante) montrera si la fermeture de cycle est de type
conrotatoire ou disrotatoire :
Exemples :

Remarque : Le principe de réversibilité microscopique indique que le raisonnement reste

valable pour les ouvertures de cycle.
Activation photochimique : Lorsqu’un rayonnement photochimique est utilisé pour initier une
réaction électrocyclique, un électron est excité de l’OF haute occupée (ψ2 pour le butadiène
par exemple) au niveau BV (ψ3 pour le butadiène). On parle alors d’orbitale SOMO (single
occupied molecular orbital). On utilisera cette orbitale pour réaliser la réaction de fermeture
de cycle :

22
Le changement de symétrie du système montre immédiatement qu’un système à 4 électrons
donnera une fermeture thermique conrotatoire et une fermeture photochimique disrotatoire.
On en déduit les premières règles de Woodward-Hofmann :

Les réarrangements sigma tropique

Dans les réactions de réarrangements (transpositions), un atome

ou un ensemble d’atome lié par une liaison sigma à un atome
migre sur un autre atome.
Le plus simple des réarrangements: la migration d’hydrogène (ou proton
shift)

Migration [1,3]H

23
Le processus antarafacial thermique est permis mais pas observé. Le
processus suprafacial photochimique est observe

La migration [1,5]

Lorsqu’on alkyle l’anion cyclopentadiényle, on forme trois produits.

Pourquoi ?

La migration [1,5] thermique est suprafaciale

Migration[1,7]H

24
Le processus antarafacial est permis thermiquement car la molécule est
assez flexible pour que l’HOMO de la σCH reagisse avec la LUMO du
triène.

Toutefois, dans le vinyl-cyclopentadiene suivant, le processus

antarafacial n’est pas permis car cette molecule n’est pas assez
flexible.

Il peut donc subir un [1,7]H suprafacial… photochimique.

En resumé
Migration [1,3]H : antarafaciale thermiquement permise, mais jamais
observée suprafaciale, photochimiquement posible
Migration [1,5]H : suprafaciale thermiquement permise; antarafaciale
photochimique possible mais jamais observée.
Migration [1,7]H : antarafaciale thermiquement permise et suprafaciale
photochimiquement possible.
Réarrangement sigmatropique [3,3] : le réarrangementdeClaisen

Pourquoi [3,3] ? C’est le numéro des atomes sur lesquels la nouvelle

liaison σ se forme. La numerotation commence a partir de la liaison qui est
rompue

D’un point de vue orbitalaire et stéréochimique :

25
L’état de transition chaise permet d’expliquer la stéréochimie
observée. La chaise peut se déformer en bateau, mais cet état de
transition est bien plus haut en energie (défavorable).

Une variante: le réarrangement de Johnson-Claisen (Johnson orthoester

Mécanisme de formation des orthoester

Une autre variante similaire : Le réarrangement Claisen-Ireland

26
Le Réarrangement de Cope
Ce réarrangement σ[3,3] s’effectue sur les diènes 1,5.

Cette réaction est aussi réversible.

L’état de transition est la-aussi de type chaise

Le Réarrangement de Cope

Les variantes du réarrangement de Cope

Oxy-Cope thermique

27
En rajoutant un alcool en position β de la de la double liaison, la
réaction conduit a un éther d’énol qui se tautomerise en cétone (ou
aldehyde) : la éaction devient alors irréversible.

Oxy-Cope aniomique

Introduit par Evans, l’alcool introduit précédement est maintenant

déprotoné. Cela augmente la densité electronique et accélère la
réaction.
Réarrangement de Wittig [2,3]

Le réarrangement de Wittig permet de tranformer des éthers allyliques en

alcools homoallyliques
Il existe aussi un réarrangement de Wittig [1,2], mais les derniers
résultats semblent montrer que le mécanisme de celui-ci n’est pas
concerté.
Il existe encore bien d’autres nombreux réarranagement, nous les
étudierons dans les chapitres suivants.

Les réactions photochimiques

La photochimie existe depuis de nombreuses années, mais malheureusement les chimistes ne
savaient pas comment la contrôler afin de l'utiliser efficacement en synthèse. C'est ainsi que

28
pendant des années, la seule réaction photochimique que l'on faisait et qui de plus était
parfaitement contrôlée, a été le ... bronzage. Pourtant la photochimie s'est considérablement
développée et ce grâce aux avantages qu’elle représente :

• pas de déchet
• peu coûteux
• permet de mettre en évidence certains intermédiaires
• donne accès à des réactions que l'on ne peut pas faire avec la chimie normale

Face à ces avantages, on note quelques contraintes :

• choix de la longueur d'onde

• choix du solvant
• choix de la concentration (réaction mono et/ou bimoléculaire)

Une réaction photochimique se résume à cette équation :

Pour faire une réaction photochimique, il faut d'abord prendre le spectre UV de la molécule A
afin de s'assurer qu'elle absorbe dans un certain domaine.

La molécule A absorbe à 280nm on pourra faire

une réaction photochimique.

Nous n'aborderons pas ici la théorie avec notamment les problèmes de fluorescence,
phosphorescence, l'étude du diagramme de Jablonski, le rendement quantique, les
sensibilisateurs. Tous ces points sont développés dans le Carey et Sundberg au chapitre 13.

Réaction de Norrish I
• Réaction de Norrish I (transition (n *)1) : Spectre d'absorption UV d'une fonction
cétone :

Le déplacement des bandes dépend des

groupements R et R'. Pour la réaction
de type Norrish I on excite dons l'état
singulet (n*)1.

29
 o Si n = 0

On a vu que le choix du solvant était important, en effet lorsque la même réaction est faite
dans le méthanol ou dans l'hexane, le résultat est différent.

Méthanol Hexane

Réaction de Norrish II
• Réaction de Norrish II (transition (n*)3)

Pour avoir une réaction de Norrish II, il faut absolument que le H en position  se trouve
dans le même plan que la fonction carbonyle.

Exemple d'application :

30
Deux choses importantes dans cette réaction :

• D'abord, dans la seconde étape on remarque un radical en  d'un cyclobutane. Il y a

donc ouverture du cyclobutane et formation d'une double liaison. (voir réactions
radicalaires)
• En  du carbonyle il y a H1, H2, H2' et H3. Mais pour avoir une réaction de type
Norrish II, il faut que le H en  soit dans le plan du carbonyle. Seul H1 est dans le plan.
•
Arrachement d'hydrogène 1,5
Photolyse de composé nitrite

Réactions d'énones en photochimie

31
Dans l'état (*)3 on fait un renversement des charges ce qui peut être intéressant pour les
réactions de Diels - Alder.

• Cycloaddition intermoléculaire

Polarisation de la double liaison en fonction de la nature du groupement R :

donneur accepteur

Réarrangement oxo-di-- méthane

Cétones ,-insaturées réactions qui se passe dans l'état (*)3. La réaction se fait en
général dans l'acétone.

• Migration 1,2 d'un groupement acyle

32
Réarrangement de diénones

Cyclopropane vinylique

Formation de cyclopropanes

33
Pour décomposer les diazo, on utilise des sels de cuivre. La formation de diazodicétones se fait à partir de Et3N et
TsN3.

Les réactions photochimiques des aromatique

Mécanisme de type biradicalaire

Réaction de Wender : synthèse de produits naturels bicycliques, tricycliques à 5 chaînons.

34
Conclusion

Référence

35