Chimie Organique I

—

Condensation benzoine catalysee par la thiamine1

Assistante : Ouizem Souad

Abegg Daniel

Laboratoire 140

2 decembre 2007

1Page 38 du polycopie de chimie organique (3eme semestre) 2007/2008

Table des matieres

1 Condensation benzoine catalysee par la thiamine 51.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.1.1 But du projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.2 Schema des reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.3 Utilisation du produit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.1.4 Etapes de syntheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.2 Mecanisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3 Resultats et discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3.1 Rendement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3.2 Point de fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3.3 Spectre IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3.4 Spectres RMN 1H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.6 Partie experimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.7 Annexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.7.1 Spectres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.7.2 Fiche de toxicite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Bibliographie 21

3

4 Table des matieres

1Condensation benzoine catalysee

par la thiamine

1.1 Introduction

1.1.1 But du projet

Le but de cette experience est de synthetiser de la benzoine (C14H12O2) par con-densation, a partir de deux molecules de benzaldehyde avec comme catalyseur lathiamine.

1.1.2 Schema des reactions

Thiamine

O

H2O

NaOH

EtOH 95%

O

OHThiamine +

H

+

H

O

2

Fig. 1.1: Transformation du benzaldehyde en benzoine catalysee par la thiamine.

5

6 1.2. MECANISME

1.1.3 Utilisation du produit

L’utilisation principal de la benzoine se fait dans les oxydations comme par ex-emple, l’oxydation en benzile. La benzoine est aussi utilise dans les reactions depolymerisations et en pharmacologie et cosmetique.

1.1.4 Etapes de syntheses

La thiamine est d’abord deprotonnee par l’hydroxyde de sodium froid, puis lecarbanion de la thiamine (nucleophile) attaque le carbonyle du benzaldehyde etil y a reprotonation pour former un alcool. Un groupe hydroxyle prendra l’hy-drogene du carbone tetraedrique qui a un pKa de 17-18 (acide) et ceci causerala formation d’un nouveau carbanion qui attaquera un autre benzaldehyde. Fi-nalement il y a depart d’un hydrogene et reformation de la double liaison carbonoxygene et le depart de la thiamine.

1.2 Mecanisme

NH2

N

NS

OH

H

S

R

R’

S

R

R’N

C

R

R’N+HOH

N OH N

S

Fig. 1.2: Deprotonation de la thiamine et formes de resonances pour stabiliser lathiamine

CHAPITRE 1. CONDENSATION BENZOINE CATALYSEE PAR LATHIAMINE 7

H2O

H2O

H2O

H2O

S

R

H

O 1

S

R

HH

OH

+

OH

H

OH

OH

+

OH

O

H

H

OH

+

S

R

S

R

S

R

S

R

S

R

+

R’ R’R’

R’

R’

R’

R’

2

3

4

5

6

N

O

NN

OH

OH

N

N

O

OH

S

R

R’

N

O

N

OH

N

Fig. 1.3: Mecanisme de reaction

1. Attaque nucleophile du carbanion de la thiamine sur le groupe carbonyl dubenzaldehyde.

2. Protonation

3. Depart de l’hydrogene (pKa 17-18[3]) facilite par la thiamine qui estelectroattrateur.

4. Attaque nucleophile du carbanion sur une autre benzaldehyde.

5. Protonation

6. Depart de la thiamine et formation de la benzoine.

8 1.3. RESULTATS ET DISCUSSION

1.3 Resultats et discussion

1.3.1 Rendement

mtheorique =nbenzaldehyde ∗ MMbenzoine

2=

0.196 ∗ 212.24

2= 20.8 g

mexperimentale = 14.0 g

Rendement = 67.5%

1.3.2 Point de fusion

Le point de fusion se situe a 132-133 C. Ce qui me dit que ma benzoine est pure,car le point de fusion theorique est compris entre 133 C et 137 C.

1.3.3 Spectre IR

Le spectre IR (figure 1.8) a ete realise dans du chloroforme. Les resultats obtenussont decrit ci dessous.

Types de liaisons Valeurs th [cm-1] Valeurs exp [cm-1]Elongation (OH) 3600-3200 3440Elongation (CH aromatique) 3170-3000 3076.9Elongation (CH) 2960-2850 2997.6 et 2971.5Elongation (C=O) 1700-1680 1680.1Deformation (CH) 1470-1430 1449.9Deformation (OH) 1410-1260 1279.8Elongation (C-OH) 1150-1040 1067.9Deformation (CC) 1200-800 975.4Deformation (CH aromatique) 800-900 876.8 et 841.0

Tab. 1.1: Deplacement infrarouge de la benzoine

La presence du groupe hydroxyle a 3440 cm-1 avec le carbone sp3 en 2997.6-2971.5 cm-1 et finalement la cetone en 1680 cm-1 sont de bonnes indications pourla formation du produit.Il n’a pas ete facile d’attribuer certains pics car selon les differentes tables , il y

CHAPITRE 1. CONDENSATION BENZOINE CATALYSEE PAR LATHIAMINE 9

avait plusieurs possibilite comme par exemple en 1067.9 j’ai mis une elongationC-OH [9] mais j’ai trouve dans une autre table que entre 1000-1250 cm-1 il s’agitd’une elongation C-C [4].

1.3.4 Spectres RMN 1H

Les spectres RMN 1H ont ete realises dans du chloroforme deutere (CDCl3).Je vais commencer par analyser le spectre de mon reactif pour voir si la distillationa ete reussie, car les aldehydes ont tendance a s’oxyder en acide au cours du temps.Les spectres ont ete fait a une frequence de 400 MHz.

Benzaldehyde (reactif)

H1

H2

H2

H3

H3

H4

O

Fig. 1.4: Benzaldehyde

Pour le cycle aromatique les deplacements chimiques ont ete calcules avec laformule : δH = 7.27 +

∑zi.

Attribution δth [ppm] δexp [ppm] Multiplicite Cte de couplage [Hz]δH1

10.5-9.7 10.04 Singulet –δH2

7.83 7.92-7.88 Doublet 8.3δH3

7.49 7.57-7.53 Triplet 8.6δH4

7.56 7.67-7.62 Triplet 7.7

Tab. 1.2: Deplacement RMN 1H de la benzaldehyde

10 1.3. RESULTATS ET DISCUSSION

Les deplacements chimiques cites ci-dessus (figures 1.9 et 1.10) correspondentaux valeurs attendues. Les pics pour les protons du cycle ont pu etre identifiespar les integrales. Les integrales sont de 2H 1H 2H, donc le 1H correspond ala position para (H4). Pour definir les 4 autres hydrogenes, j’ai regarde leurspositions. On voit que ceux en ortho (H2) sont plus proche de l’oxygene, quiest electroattracteur, donc ils seront plus deblindes que ceux en meta (H3). Lesprotons en ortho sont identiques car le cycle est symetrique de meme que les Hen meta.Malgre la distillation, il reste quelques traces d’acide en 8.15-8.00, et a 7.50 ppm.

Benzoine (produit)

H1

H1

H1

H1

1H

H2

H3H4

H4

H5

H6

5H

O

O

Fig. 1.5: Benzoine

Attribution δth [ppm] δexp [ppm] Multiplicite Cte de couplage [Hz]δH1

7.53-7.29 7.36-7.28 multiplet –δH2

5.95 5.985-5.95 doublet 6.1δH3

4.55 4.585-4.56 doublet 6.1δH4

7.94-7.90 7.95-7.91 doublet 7.9δH5

7.53-7.29 7.435-7.39 triplet 8.0δH6

7.53-7.29 7.57-7.515 triplet –

Tab. 1.3: Deplacement RMN 1H de la benzoine

Comme deja dit pour le cycle du benzaldehyde, les protons sont reparis de lameme maniere en ortho (H4), meta (H5) et para (H6) et en doublet, triplet ettriplet. Le premier cycle est plus deblinde car il y a la cetone qui delocalise leselectrons vers elle. Les integrales sont aussi identiques 2H 1H 2H.

CHAPITRE 1. CONDENSATION BENZOINE CATALYSEE PAR LATHIAMINE 11

Pour le deuxieme cycle il m’est impossible de definir clairement les deplacementschimiques (figures 1.11 et 1.12) mais je pense que la repartition est la meme. C’esta dire que les hydrogenes en ortho sont plus deblines, puis vient celui en para etfinalement en meta. Si je prend l’integrale pour le deuxieme cycle je trouve bienles 5H. Donc les valeurs pour les deux cycles sont comme attendues.Pour l’hydrogene du Csp3 nous avons aussi un doublet (1 voisin donc une mul-tiplicite de 2) et l’integrale me dit qu’il s’agit de 1H et idem pour le proton del’alcool.En plus sur le graphique je possede un immense pic a 7.27 ppm qui est car-acteristique de chloroforme. A 4 et a 0.9 ppm sont quelles impuretes. Finalementil reste un pic a 1.52 ppm qui est de l’eau.Avec la disparition du pic de l’hydrogene de l’aldehyde (10 ppm) et l’appari-tion des pics pour l’alcool (4.56 ppm), celui du proton du carbone tetraedrique(5.95 ppm) et ceux pour le deuxieme cycle (7.36-7.28 ppm), je peux dire que lasynthese a abouti.

1.4 Questions

1. Quel est la formule de la thiamine et quel est son mecanisme d’ac-

tion dans la reaction de condensation benzoine ?

La formule de la thiamine est : C12H17N4OS+. Dans la synthese de la ben-zoine, la thiamine est le catalyseur et rempli les fonctions suivantes : enpremier elle est nucleophile et attaque la benzaldehyde. Puis de part sanature electroattracteur elle facilite le depart de l’hydrogene situe au piedsde l’alcool permettant ainsi la condensation avec une deuxieme molecule debenzaldehyde. Pour finir elle est le groupe partant. La thiamine est a la finde la reaction comme prevu a nouveau presente et sous la meme forme, cequi est normal car c’est le catalyseur.

12 1.4. QUESTIONS

2. Montrer comment le cyanure peut remplacer la thiamine dans la

reaction de condensation benzoine.

Le carbone du cyanure (–C≡N) est comme dans le cas de la thiamine chargenegativement et attaquera la benzaldehyde. Le cyanure et electroattrateurde par son azote. Donc le cyanure a les memes caracteristiques que la thi-amine et l’on peut donc supposer que la reaction sera la meme. [1]

H2O

H2O

O

H CN

O

H

CN

OH

H

CN

OH

OH

CN

OH

CN

OH

CN

OH

O

H

CN

OHOH

CNO

OH

CNOH

OH

OH

O

Fig. 1.6: Condensation benzoine par le cyanure[1].

CHAPITRE 1. CONDENSATION BENZOINE CATALYSEE PAR LATHIAMINE 13

3. La pyruvate decarboxylase est une enzyme dependant de la thi-

amine qui catalyse la decarboxylation de l’acide pyruvique en

acetaldehyde. Ecrire un mecanisme pour cette transformation et

noter la reference bibliographique.

CO2

S

R

R’

O O

+

Thiamine Pyruvate

S

R

R’

O OH

S

R

R’

S

R

R’

N

+

S

R

R’

N

AH

S

R’

R

H

S

R’

RO H

HA ++

Décarboxylation

Acétaldéhyde

NH N

N

N

N

OHO

OHOH

H

A

O

O

Fig. 1.7: Transformation du pyruvate en acetaldehyde avec la thiamine commecatalyseur [3] et [7].

14 1.5. CONCLUSION

1.5 Conclusion

La synthese de la benzoine a partir de la benzaldehyde est reussie. Mon rendementest correct mais le produit obtenu n’est pas totalement sec, ce que l’on voit dansle spectre RMN 1H par les quelques petits pics d’ethanol decrit plus haut.Comme deja dit dans la deuxieme question le cyanure peut remplacer la thiamineavec un rendement largement superieur (90-92% [2]), mais le probleme est que lecyanure est mortel.

1.6 Partie experimentale

Dans un ballon bicol de 100 ml, 3.5 g d’hydrochlorure de thiamine sont dissousdans 8 ml d’eau et 32 ml d’ethanol 95%. La solution obtenue est refroidie a 0 C(bain eau/glace) et 7 ml d’une solution de NaOH 3 M froide est ajoutee. Ceci dureenviron 20 minutes et la solution est sous agitation constante. La solution prendune coloration jaune clair. Finalement 20 ml de benzaldehyde prealablement dis-tille1.Le melange est chauffe a 60 C pour une periode de 90 minutes.Filtration sur Buchner des cristaux et lavage a l’eau. Recristallisation avec del’ethanol (∼ 150 ml) et sechage. Les cristaux sont de couleur blanc tres legerementjaune.

1.7 Annexes

1.7.1 Spectres

– Infrarouge de la benzoine (figure 1.8)– RMN 1H de la benzaldehyde (figures 1.9 et 1.10)– RMN 1H de la benzoine (figures 1.11 et 1.12)– RMN 1H de reference de la benzaldehyde, l’acide benzoique et la benzoine [6]

1Dans un ballon bicol de 100 ml, 80 ml de benzaldehyde ont ete mis et chauffee a 60 C ou cettederniere distille a une pression de 10 Torr (mmHg). A pression ambiante la temperature dedistillation est de 178 C [5]

CHAPITRE 1. CONDENSATION BENZOINE CATALYSEE PAR LATHIAMINE 15

Fig. 1.8: Spectre IR de la benzoine

16 1.7. ANNEXES

Fig. 1.9: Spectre RMN 1H de la benzaldehyde

CHAPITRE 1. CONDENSATION BENZOINE CATALYSEE PAR LATHIAMINE 17

Fig. 1.10: Spectre RMN 1H de la benzaldehyde

18 1.7. ANNEXES

Fig. 1.11: Spectre RMN 1H de la benzoine

CHAPITRE 1. CONDENSATION BENZOINE CATALYSEE PAR LATHIAMINE 19

Fig. 1.12: Spectre RMN 1H de la benzoine

1.7.2 Fiche de toxicite

ProduitHydrochlorure dethiamine

Hydroxyde de Sodium3 M

Benzaldehyde Ethanol 95%

N CAS 67-03-8 1310-73-2 100-52-7 64-17-5

Formule C12H17ClN4OS · HCl NaOH C6H5CHO C2H5OH

Masse moleculaire (g/mol) 337.26 39.99 106.12 16.04

Quantite (g, mmol) 3.5 g (0.010 mmol) 7 ml 40 ml 32 ml

Inflammabilite non non non tres inflammable

Toxicite non (irritant) tres corrosif non oui

Irritation de la peau oui oui oui oui

Types de gants a utiliser Latex (Nitrile) Latex Latex Latex

Dangereux par inhalation oui oui oui oui

Cancerigene non non non non

Autres dangers irritation des yeux brulure irritation des yeux irritation des yeux

Que faire avec les dechets bidon chlore evier flacon sous chapelle bidon

References bibliographiques [5] et [8] [5] et [8] [5] et [8] [5] et [8]

20

Bibliographie

[1] Oranginc chemistry. Benzoin condensation. http ://www.organic-chemistry.org/namedreactions/benzoin-condensation.shtm 23.11.2007.

[2] Coll. Organic syntheses. http ://www.orgsyn.org/orgsyn/prep.asp ?prep=cv1p0094 23.11.2007.

[3] Vollardt et Schore. Traite de chimie orangique. De Boeck, chap 23 :1040–1042,2004. 4eme edition.

[4] G.GOMEZ. Table ir. http ://pedagogie.ac-montpellier.fr :8080/dis-ciplines/scphysiques/academie/ABCDorga/FAMILLE/tableIR.html30.11.2007.

[5] Acors Organics. Acors Organics. www.acros.com 21.11.2007.

[6] Sigma-Aldrich. Spectre rmn reference. http ://www.sigmaaldrich.com23.11.2007.

[7] Lubert Stryer, Jeremy M.Berg, and John L. Tymoczko. Biochimie. Medecine-

Science Flammarion, chap 16 :438, 2003. 5eme edition.

[8] Oxford University. Chemical and Other Safety Information from the Physical

Chemistry Laboratory, Oxford University. joule.pcl.ox.ac.uk/MSDS/#MSDS21.11.2007.

[9] D.H. Williams, I. Fleming, and Mc Grae-Hill. Table ir et rmn, spectroscopicmethods in organic chemistry.

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