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Analyse conformationnelle a l'aide de la notation des angles de torsion—IV
ANALYSE CONFORMATIONNELLE A L’AIDE DE LA NOTATION DES ANGLES DE TORSION-IV INTERPRETATION ET PREVISION DU COURS STERIQUE DE L’ADDITION CONJUGUEE D’ANIONS SUR LES CYCLOPENTEN-2 ONES E. TOROMANOFP
Ceotrcde ltc&r&s RcuaseCUCLAF, 102routede Noisy, Raaiwilk, Fnnce (Receivedin Fmncc 28 NovemberW7l; Keceitd in the UK for public&
24 Januorp 1978)
Rh~&L’utilisbn de la ~~btion da an&s de torsionpermetd’intuprttwet de prhvoirk wura sthque de I’itddition conju@e d’anbosau?ks cyclopenthonesen tenantcoa~ptedw bypotbbesde mainth du recouvre meatdes orbit&s et de moindre&form&ionsbwdumkau WM de Iar&&n. L’intcrp&atioo ou la prhisioo du cows sthique de I’additioocoojugu& d’anioll.ssur les cyclobex&o-2ones peut he rcaliscc aisbment B hide de la notation des angks de torsion et de l’hypotbbe d’additiooperpeodiculaire de I’aniooAI’extrhith de I’oMne coojug&: le produit principal de la r&actioncorrespond au cbemin rbctioanel de moindre toergie,’ c’est B dire, co &&al, A celui qui fait intervenir la moindre dCformatioocooformationnelle au cars de la r&&on, depuis la cooformation iaitiale de tmsse Cnergie jusqu’h la confor-
otatioo primaire lhak. Ainsi dans k cas de la mttbyl-5 cycIohexh-2 one (Fig. 1, R = H) le chcmin rhtioonel prcdcmichaise, correspocKlalltAla !ixatioo 3a-axiale de l’anioo R scra prCftrt aux autres chemins rhcthncls pr&l$diphaires ou pr&bateaux et B I’autre chemin r&cthmel prbdemichaiac comportantk mCthyken 5
dansl’orkotatioo axiale.La dtsa de cc denier chemia rhctionnel est Me i la ditlkulti d’approcbe perpendicukirede hioo au niveaude la position3 du cycle, en raisoo de I’mteractioo syndiaxkk avec k
M +-
i!x H
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i
MO
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J2c +-a\+ =-
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H - +b + k A RI
Fii 1.
2105
2106
E. TORONANOFF
mCthyleS/3axial dans cette conformationdu cycle. Cette inte r&tationqui est conforme aux r&dtats exp&imen% Applique Cgalementaux r<ats de reduction taw de cyclohexbn-2 one par Ie lithium dans I’ammoniac liquide: sans prCjugerdu m&canismede cette r6action, tout se passe comme si on avait alWe Aune addition 1,4 d’hydrure B partir d’un petit donneur; ainsi la reduction avec le lithium dans l’ammoniac de la dimCthy13.5 cyclohextnone (Fig. 1, RI = CH,) conduit s&ctivemeot Ala cisdimbthyl-3$ cyclohexanone. Le mode de raisonnementqui a permis I’interpr&tatioo ou la pr&ision du cows stirique de I’additioncoojug& d’anionssur les cyclohex&n-2ones est g&&al et il peut &re ttendu aux cycles insatis homologueset ootamment aux cyclopentin-2 ones. Cows sthique de /‘addition conjuguh d’anions SW lcs cyclopenthr-2 ones L’addition conjug& cinCtique d’anions sur une cyclopentinone substih@ su sCCse trouver comme le cyclopentine correspondanpp”dans la conformation enveloppe se traduit par le passage de la conformation
enveloppe initiale A la forme enveloppe de l%oolate primaire (Fig. 2). On peut noter, B ce propos, que I’interconversion, par I’intermMaire d’une forme plane, des deux formes enveloppes du cyclopeot&oeoe met en jeu qu’une faible tibre d’bnergie de l’ordre de 0.5kcal/mole.” De plus, la pr&cnce du carbone trigonal de la &one dans la cyclopeot&nonedoit aussi contriiuer Aabaisser les barri&s d’interconversionentre les deux formes enveloppea possibles et la forme plane. On doit done s’attendreAce que la stMos&ctiviti des Actions d’addition sur les cyclopeot&nooesconformationnellement mobiles soit moindre que cclle qui a Ctc observte aver les cyclohextnooes homolugues en raison de la diminution des ban&es d’interconversioo entre cooform&es de basse Cnergielorsqu’on passe de la s&e cyclohexenone A la s&ie cyclopent&one. L.a situation cst tout autre lorsque la gcOm&riede la cyclopentioone est Me, commc dans les exemples 0,“” b,” c” et d “J de la Fig. 3, empruntesAla chimie des stirofdes: il y a un sens d’additioncin&iqueprivilCgiC des r&ctifs qui peut &.reprCvude la ma&e suivante. Dans les exemples a et b de la Fig. 3 la conformation
F& 2.
IO.11
R-C& ,CH,C,H,
d
halysc conf~nnalk
a hide de la Dot&ondu
enveloppe de la cyclopentinone, correspondant au cycle pentagonal D insaturd, est dbtermi&, sans ambiguiti, par la nature tmns de la jonction des cycles C, D. L’orientation axiale du mdthyle anguhure 18 #lorienti, substituant du carbone 13, et de l’hydrog&neang&ire cr-orienti du carbone 14 fixe de man&e univoque la s&ueoce des signes des angles de torsion de la cyclopent&one: cette Sequence, prise darts le sens des aiguhlesdune montre, avant et apri%Its carbones 13 et 14 est, respectivement, pour le substituant /?-axial en 13(+,-) et pour l%ydrog&ne anguhure a-dal en 14(-,+). Le respect du maintien du recouvrement des orbitales et le principe de moindre d6formation conformationnelle au cours de la r&actionimposent, alors, I’additionconjugude #anion en 15g (addition /t&ale: s&uence +, -) ce qui correspond au trajet r&ctionnel de moindre Cnergiepuisqu’onpasse de la forme enveloppe i&ale du produit de d&art B un Cnolateprimaire tinal darts le forme enveloppe correspondante sans changemeat du signe d’aucun des angles de torsion par rapport Ala forme i&ale (un d&Ire positif s’annuleet un d&Ire nul devieot positif lors du passage de la conformation initialeAla conformationprimaire tinale).Le trajet r&ctionnel correspondant B l’addition conjugu& de l’anion sur le position 15 en a peut dtre exclu car il ferait intervenir pour I’Coolatetinal primaire une forme non remarquable de haute Cnergie du cyclopentine: la sdquence des signes darts 1’Cnolateprimaire wait (O++-). On peut noter que la direction de l’additionconjugute darts une cyclopentinone mainteoue dans une conformation enveloppe dCtermin6eest implkite darts la conformation initiale:dartsles exemples Det 6 de la Fig. 3 la sdquence des signes des angles de torsion au niveau du carhoue CthylbniqueI5 est (0, -) u qui correspond B une addition /I&ale (+, -) darts I’bnolateprimaire final. Une interpr&ation, analogue A celle qui vient d%tre expos&, peut &re don& pour l’exempled de la Fii. 3, m&mesi, dans u CBS,on passe dune forme enveloppede cyclopentine &une conformationprimairefinaledu cycle D en den&hake. Ici encore, le point essentiel Asouligner est qu’au cours de la Action il n’y a aucun changement de signe des angles de torsion du cycle pentagonal (un d&ire nul est devenu n6gatif)u qui correspond Aun trajet r&ctionnel de faiile Cnergie. L’autre trajet rdactionnel correspondant a I’addition conjugtuk de l’anionen /? sur la position 16ntcessiterait, par rapport B la forme initiale en enveloppe du cycle D, l’inversionde plusieurs angles de torsion et aboutirait B un Cnolateprimaire final de plus haute tnergie que la forme demichaise correspondant Al’additionen 16~. En& dans l’exemplec de la Fig. 3, la jonction cis des cycles C, D, fait intervenir l’hydrog&nea@aire du carbone 14, darts I’orientation g-axiale et la liaison C&, a&ale par rapport au cycle D, ce qui correspond au mdthyle angula& 18darts l’orientation6quatoriale. Cette jonction cis d&ermine la conformation enveloppe de la cyclopentinone et, du meme coup, la dqwou des signes des angles de torsion. LAencore, le trajet r6actionnelde moindre Cnergie,correspondant it la moindre ddformation conformationnelk de la forme initiale B la forme primaire finale, impose I’additionconjugude d’hydrure en g sur la position 17: il n’y a au cours de la reduction, aucune inversion du signe d’un di&Jredu cycle pentagonal, mais un di&Jrenul devient n&atif et un d&ire dgatif s’annuk lors du passagede la forme enveloppe initialede la cyclopentinone B la forme
aaglesde torsiea-fV
2107
enveloppe de I’Cnolateprimaire final. En dehors de toute considtration d’ordre CnergCtique,l’addition d’hydrure en a sur la position 17est stiriquement emp&h& par la di5cultd d’approche des r6actif.s A l’int6rieur de la concaviu!form& par la pliure rCsultantde la jonction cis des cycles C, D, ce qui exclut le trajet reactionnel correspondant. Darts le c-asde cycles isol& le cours st&ique de la reaction d’addition conjugute d’anions sur les cyclopent&n-2ones depeodra de la nature et de la taille des substituants du cycle et notamment de la pr&ence de substituantsvolumineuxou polaires en 3,4 et 5 (Fig. 2). L’effet de tension allyliq~,‘~ d’autantplus marquCque le substituanten position allylique est volumineux,peut se ma&ester soit sur la cyclopent&me de depart soit sur l’tnolate primaire final correspondant et se traduire par une orientation “axiale”” ptiferentielle du substituant allylique. On peut done s’attendre assez souvent a une additionconjugu6ecinetique de l’anionen trans par rapport au reste en position allylique qui pout &tre un alkyle, un aryle ou trn groupe polaire [exkmplesdes Figs. 417.18 et 519.211. Par exempie (Fig. 4a) le produit principalde l’addition conjugude de l’anion mCthyliqueou vinylique sur la cyclopentinone substituCeen position allylique par le groupe R1 volumineux correspond a une trams-addition de l’anionpar rapport au groupe R2 sur la conformation enveloppe de la cyclopentinone sur laquellele groupe R2 est axial. Dans l’exemple6 de la Fig. 4, tout se passe comme si le produit de rkduction de la cyclopentinone par le lithium dans l’ammoniaccorrespondait B l’additionconjug& d’hydrure en trcns par rapport au phCnyle4, sur la forme enveloppe de la cyclopeat&nonedarts laquellele phdnyle en 4 a l’orientationaxiale. La prdsenu d’un acyloxyle ou d’unalkoxyle en 4 de la cyclopentinone (exemplesFig. 5) peut doMer lieu Aune comp&itionentre deux effets s’exercarrtdans des directions oppos&s: d’une part un effet d’orientationcis, par complexationde l’organom&allique,effet plus ou moins pronon& suivant la nature du m&al de l’organombtallique, d’autre part un effet inducteur d’attraction des Clectronstendant B imposer l’additionde l’aniondu c8ti 0pposCAI’acyloxyleou B I’alkoxyle[cf Fii. 5, exemple c, ob les deux Cnolatesisombres sont form&sdans le rapport 1.3:l”]. De nombreux exemples de ut effet inducteur sur le cours de l’addition d’anions ont Ctc observCsdans les synt&es de prosmglandinesmettant en oeuvre des cyclopent&nonessubstituCes.P Sur la Fig. Sa, l’addition warts pr6pondCrante de l’anioo du nitromCthane par rapport au groupe carbomCthoxylea lieu sur la forme enveloppe de la cyclopentinone oh le groupe ester est axial. L’effet inducteur et l’effet de tension allyliqueconjuguentici leurs effets. Darts l’exemple b de la Fig. 5 le produit principal de l’additioo conjugu4e d’anion malonate correspond a l’entr& tmn.r de Pardon par rapport au reste acyloxyle en 4, orient4 axialement sur la conformation enveloppe r&&e. EntIn, darts l’exemple c de la Fig. 5, l’effet inducteur de l’alkoxyleest probablementcompeosCpar un effet de complexationde l’organom&alliqueu qui est reflCt4par la formation des deux isombrespossibles au tours de la r&actionavec une faibk st&os4lectivitc en faveur du produit d’additiontmns par rapport au groupe alkoxyle inducteur.
Dartsle cas ou k groupe en 4 de la cyclopea3none est un hydroxyle on peut pr6voir un effet d’orkntation du rbactif par I’hydroxyk, effet qui peut devenir dominant suivant la nature du m&al de l’organomCtaUique utilis4 pour I’additkn conjugube[exempks F@ 6=-l. L.$Iencore ks exemples de la litttrature, en s&k prostaglandine, sug&rent qu’il est possiik, suivant la nature du m&alet ks conditionsexp4rimentales,d’exalter ou de r6duire I’effet dbrkntation pour aboutir au rCsuhatdbsir6. Ainsi darts I’exemplc u de la F@ 6, empruntt g la chin& des prostagkndbs, Milisation de Wuninique darts I’additionconjugu6econduit au seul d&iv6 de type A tandis qu’avec Ia meme cyckper.tt&nonede d&art, c’est k d&iv6 de type B qui est principalementobtenu lorsqu’on utilise k rdactif compkxe issu .du mCkngede vinyIlithiumavec le phosphite de mtthyk et k cyanure cuivreux. Comme on I’a indiqu4sur la Fw 6 k cuprate conduit g WI mCknge des deux isomtres sans grande s&cuvit6. Dartsl’exempleb de la Fu. 6, si on admet que darts la r&k&ion par k lithium darts I’ammoniacliquide tout se
passe conune s’il y avait une addition conjugube
d’hydrure, on observe que le produit principal de la rbduction de la cyclopenttnulone correspond A I’introduction de l’hydrure en cis par rapport B I’hydroxyk orient6 Quatorialement sur la fonne enveloppe: darts ce dernkr cas un effet d’orientation par complexation du rdactif avec I’hydroxylene peut 2tre exck. On peut Ctendrela mCthoded’analyseg I’interprbatkn ou g la pr&ision du cows st6riquede certaines cycloadditions d’&hers d’dnols ou d’ynaminessur des doubks liaisonsde cyclopent&ncssubstitu&,lorsque la &action de la premibe liaison satur& correspond B une r6action de MichaelfRii. 7). Ainsi I’additionthermique du npropyl &her Cndique cis du prupionaldChydesur k formyl-1, mtthyl-5 cyclopentbe a lieu sur la position 2, de ma&e apparemment pr6fCrentieRedu c&4 oppos4 au m&hyleen Lrn On peut dormer l’interprbion suivante de ce r6sultat (voir Rig. 7, exemple 0). Dartsl’orkntation 6quatorialedu mbthyl-5 il ne peut y avoir de coplaacitb ais& de la forme Cnoliquedu formyle, darts I’mtermbdiairepr6sumCde la r&tion, en raison des interactions st6riques entre le
p.
Ref 23
cu(CH=($.&)2
A+0 61XB
Rcf 24
RI
b
Ref 25
HO
Rp
I-K)
LVNH,
X R,=CH,, HIllI
HO
R2
H
+ - IIIIH
Ho
CH2CH=CY
R2 =
CH,,
CH2CH=CHI
Fig.6.
f32
2110
E. Toaow~o~p
OPr 170=, 46h
Ref 26
42%
b
/
CH,C=CNEt, \
N Et,
Ref 27 +
Fii. 7.
mCthyle Cquatorial et I’hydroghe de l’tnol. Au contraire lonque le mCthyle en 5 a I’orientation axiale il n’y a pas d’emphzhement B une disposition coplanaire de la forme Caolique du formyle. Une telle disposition qui correspond, probablement, B Mat de transition de plus faiile Cnergie pour la cycloaddition, conduit au produit obseN6 exphnentalement. Si cette interprhation est correcte on devrait s’attendre B ce que le remplacement du formyle par un groupe de moindre encombrement, par exemple par un groupe Maire tel que le nitrile, provoque une diminution de la stMos&ctivit& de la rhction de cycloaddition. ll ne semble pas que la rhction correspondant h I’exemple a de la Fig. 7 ait Ctt effect& avec le nitrile au lieu du formyk mais on peut noter que la cycloaddition de la NJVdihhyipropynamine sur le cyano-1 m&hyl-5 cyclopenthe conduit B un mCla.nge,en quantith sensiblement @ales des deux isombres [Fig. 7, exemple /?‘I correspondant aux deux conform&es possibles.
En conclusion, l’utilisation de la notation des angles de torsion pour expliciter les hypothbses d’addition perpendiculaire de l’anion, de maintien du recouvrement des orbitales et de moindre d&formationconformatioonelle autorise une interpr&ation g&&ale du tours stirique de l’addition coojuguke d’anions sur les c&ones a&&hylbniques cycliques de cycles petits et moyens (cyclopenttnone, cyclohex&none), et pcrmet, m&me assez souvent, de prkvoir le tours st&ique de la r&&on.
‘E. Toromad et R. Buwn& Tetrahedron Lefrers 3523 (1976). k. L. Mittget et C. IC. Rim, Tctmhedm~ L&ten 1269 (1966); I. Ocj. Cbm. 4.,1316 (1975). ‘II. 0. House. R. W. G&c, K. Krontxrger. J. P. Kapb et J. F. Simeonc,I. Am. than. sot. n, 2800(1970). ‘H. 0. House et W. F. Fiihcr, Jr., 1.09. Chmt. 33,949 (1968). ‘M. shamla, J. Am. ckm. !?oc.n, llJ3 (1975). ‘R G. Solomonet M. F. !3alomon,1. Og. i&m. 40,1488(1975).
Analyse conformationnelk a l’aide de la notatioo des an~ks de torsion-IV ‘E. S. Binkky et C. H. Heatbccck, J. Org. Chem. 0,2156 (1975). $. Stork, R. A. Kretchmer et R. H. Schlasin~er, J. Am. Chun. Sot. %,1647 (1968). *Cornme k fait observer l’un ks rapportems, la cyclepent&none, clle-meme. paraft avoir true conformatioo platk ou proche de la plan6iti d’apr&s diverses mesures physiques [spectre de micro-ondes: D. Chadwick, A. C. Legoo et D. J. Milko, Chem. Commun. 1130(1969)et spectre infra-rouge: T. H. Chao et J. Laane, J. Mol. Spectrusc. 48, 226 (1973)].Toutefois, ces q esures oe prCjgot en rieo de la conformation dcs cyclopeot&ooes substitufes qui peuveot, prcbabkmeot sans depeose excessive d’lnergic, adopter uoc forme eoveloppe qui esf parfois, hnpos& par les substituants, co particulia dans k cas du cyck D insaturt de s&rides: c’est k cas notammcot de A” I7-0~0 stiroides on le cycle D adopte obli@oirement la conformarioo eovcloppe; ‘R. Bucomt, Topics in Stereochemirtry (Edited by E. L. Eliel et N. L. Allinger). Vol. 8, p. 159. Iotersckoce, New York (1974);‘0. Ermcr et S. Lifsoo,1. Am. Chem. Sot. %,4121 (1973). ‘$. W. Cantrall, R. Littell et S. Bernstein, J. Org. Chern. 2964 (1964). “A. R. van Horn et C. Djerassi, 1. Am. Chern. Sot. 89, 651 (1967). ‘20. Schmidt, K. Pnzcwowsky, G. Schulz et R. Wicchcrt, Gem. Bcr. 101,939 (1968). “C. Gandolfi, Cl. Doria, M. Amendok et E. Dradi, Tetmhedrun z,.erters 3923(1970). “Exemples d’additioo ciottique d’anions en 16u sur k syst&me ZOcCto-sttroides A” insatu&.‘(m&hyk): R. E. Marker et H. hf. Crooks, J. Am. Chem. Sot. 64, 1280 (1942); ‘(malonate d’bthyle): Cl. Perez, 0. Halpem, J. Iriatte et P. Crabbe, Bull. Sot. Chim. Fr. 4063 (1968); ‘Revues voir: H. Laurent et R. Wiechert, Selective introduction of alkyl and methykoe group in the steroid systems in Fried-Edwards, Organic Rcacfions in Stemid Chemistry. Vol. II, p. 75. Van Nostrand, Reinhold (1972). D. N. Kirk et hf. P. Hartshorn, Steroid Reaction Mcchisms, p. 194. Elsevier (1968).
2111
lJF. Jdmsoo, Chem. Rco. 4,375 (1968). ‘6comme dans le cas des ddrivCs cyclohtxtniques, la s6quence des anplea de torsion, prise dam k sens des aigrilks dune mootre. determine le cara&re “‘axial” ou “equatorial” du substituant. Substituant axial: B: t, -; a: -, t. “C. V. Grudzinsh et hi. J. Weiss, Tetmhcdmn L.etttn 141 (1973). La ~oflgurho en 1I n’a pas Cti ttablie de manitre UlliVOqUe.
Stork et S. D. Darling, J. Am. Chem. Sot. 86.1761 (1964). ‘v. Kienxk. Cl.W. Holland, J. L. Jemow, S. Kwoh et P. Rosen, 1. Org. Chart. 38.3446 (1973).Nous supposons qu’il s&it dans cet exemple d’un resultat cinttique mais ks auteurs n’oot pas pr&iJc ce poiot. mA. Ishibara, J. MC&, K. Kubayashi, S. Kagawa, H. Sbirahama et T. Matsumoto, Tetmhedrun #, 1331 (1970). Etude des conditions exptrimeotaks et d6fimtioo du cootrfik cidtique. *‘G. Stork et M. Isobe. 1. Am. Chem. Sot. 97,6260(1975). =Voir en pmtkuher les rdf6rence.ssuivantes: ‘C. J. Sih, P. Price, R. Sood, R. G. Salomon, G. Pemxzotti et hf. Casey, 1. Am. Chn. Sot. 94.3643 (1972);C. J. Sib, J. B. Heather, G. P. Peruzzotci, P. Pricc,R. .%xi,Lane_FongetHsu Lee,J.Am. Char. &x.95,1676 (1973);C.J.Sih,J.B.Heather,R.Sood,P.Price,G.Pe~zz4Xti,L. F. Hsu Lee et S. S. Lee, 1. Am. Cha. Sot. 97,865 (1975);J. B. Hea& R. Sood, P. Price, G. P. PeruzzoUi, S. S. Lee, L. F. Hsu LceetC.J.Sih,TctmMrunLeftcn2313(l973);bA.F.Kluge,K. G. Uotch et J. H. Fried. J. Am. Chem. Sot. 94.7827 (1972): ,..94. 9256 (1972). g. R. Pappo et P. W. Collins, Tetmhdrvn L&ten 2627 (1972). “F. S. Alvarez, D. Wren et A. Prince, 1. Am. Chn. Sot. 94, 7823 (1972). 2.‘P. De Clerq, D. Van Haver, D. Tavemier et M. Vandewalk, Tctmhcdron M, 55 (1974). ‘bF. Korte. K. H. Blkhel et A. Zschocke, Cheer. Brr. 94, 1952 (1961).Les auteurs ne qeotionneot pas la presence d’isomtre. nOJ. Ficini, J. d’Anglo, A. Eman et A. M. Touzin, Tetrahedron LAlters683 (1976);bJ. Fiii et J. d’Aogelo, Tetrahedron Letiers 687 (1976). “G.
Ceotrcde ltc&r&s RcuaseCUCLAF, 102routede Noisy, Raaiwilk, Fnnce (Receivedin Fmncc 28 NovemberW7l; Keceitd in the UK for public&
24 Januorp 1978)
Rh~&L’utilisbn de la ~~btion da an&s de torsionpermetd’intuprttwet de prhvoirk wura sthque de I’itddition conju@e d’anbosau?ks cyclopenthonesen tenantcoa~ptedw bypotbbesde mainth du recouvre meatdes orbit&s et de moindre&form&ionsbwdumkau WM de Iar&&n. L’intcrp&atioo ou la prhisioo du cows sthique de I’additioocoojugu& d’anioll.ssur les cyclobex&o-2ones peut he rcaliscc aisbment B hide de la notation des angks de torsion et de l’hypotbbe d’additiooperpeodiculaire de I’aniooAI’extrhith de I’oMne coojug&: le produit principal de la r&actioncorrespond au cbemin rbctioanel de moindre toergie,’ c’est B dire, co &&al, A celui qui fait intervenir la moindre dCformatioocooformationnelle au cars de la r&&on, depuis la cooformation iaitiale de tmsse Cnergie jusqu’h la confor-
otatioo primaire lhak. Ainsi dans k cas de la mttbyl-5 cycIohexh-2 one (Fig. 1, R = H) le chcmin rhtioonel prcdcmichaise, correspocKlalltAla !ixatioo 3a-axiale de l’anioo R scra prCftrt aux autres chemins rhcthncls pr&l$diphaires ou pr&bateaux et B I’autre chemin r&cthmel prbdemichaiac comportantk mCthyken 5
dansl’orkotatioo axiale.La dtsa de cc denier chemia rhctionnel est Me i la ditlkulti d’approcbe perpendicukirede hioo au niveaude la position3 du cycle, en raisoo de I’mteractioo syndiaxkk avec k
M +-
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mCthyleS/3axial dans cette conformationdu cycle. Cette inte r&tationqui est conforme aux r&dtats exp&imen% Applique Cgalementaux r<ats de reduction taw de cyclohexbn-2 one par Ie lithium dans I’ammoniac liquide: sans prCjugerdu m&canismede cette r6action, tout se passe comme si on avait alWe Aune addition 1,4 d’hydrure B partir d’un petit donneur; ainsi la reduction avec le lithium dans l’ammoniac de la dimCthy13.5 cyclohextnone (Fig. 1, RI = CH,) conduit s&ctivemeot Ala cisdimbthyl-3$ cyclohexanone. Le mode de raisonnementqui a permis I’interpr&tatioo ou la pr&ision du cows stirique de I’additioncoojug& d’anionssur les cyclohex&n-2ones est g&&al et il peut &re ttendu aux cycles insatis homologueset ootamment aux cyclopentin-2 ones. Cows sthique de /‘addition conjuguh d’anions SW lcs cyclopenthr-2 ones L’addition conjug& cinCtique d’anions sur une cyclopentinone substih@ su sCCse trouver comme le cyclopentine correspondanpp”dans la conformation enveloppe se traduit par le passage de la conformation
enveloppe initiale A la forme enveloppe de l%oolate primaire (Fig. 2). On peut noter, B ce propos, que I’interconversion, par I’intermMaire d’une forme plane, des deux formes enveloppes du cyclopeot&oeoe met en jeu qu’une faible tibre d’bnergie de l’ordre de 0.5kcal/mole.” De plus, la pr&cnce du carbone trigonal de la &one dans la cyclopeot&nonedoit aussi contriiuer Aabaisser les barri&s d’interconversionentre les deux formes enveloppea possibles et la forme plane. On doit done s’attendreAce que la stMos&ctiviti des Actions d’addition sur les cyclopeot&nooesconformationnellement mobiles soit moindre que cclle qui a Ctc observte aver les cyclohextnooes homolugues en raison de la diminution des ban&es d’interconversioo entre cooform&es de basse Cnergielorsqu’on passe de la s&e cyclohexenone A la s&ie cyclopent&one. L.a situation cst tout autre lorsque la gcOm&riede la cyclopentioone est Me, commc dans les exemples 0,“” b,” c” et d “J de la Fig. 3, empruntesAla chimie des stirofdes: il y a un sens d’additioncin&iqueprivilCgiC des r&ctifs qui peut &.reprCvude la ma&e suivante. Dans les exemples a et b de la Fig. 3 la conformation
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halysc conf~nnalk
a hide de la Dot&ondu
enveloppe de la cyclopentinone, correspondant au cycle pentagonal D insaturd, est dbtermi&, sans ambiguiti, par la nature tmns de la jonction des cycles C, D. L’orientation axiale du mdthyle anguhure 18 #lorienti, substituant du carbone 13, et de l’hydrog&neang&ire cr-orienti du carbone 14 fixe de man&e univoque la s&ueoce des signes des angles de torsion de la cyclopent&one: cette Sequence, prise darts le sens des aiguhlesdune montre, avant et apri%Its carbones 13 et 14 est, respectivement, pour le substituant /?-axial en 13(+,-) et pour l%ydrog&ne anguhure a-dal en 14(-,+). Le respect du maintien du recouvrement des orbitales et le principe de moindre d6formation conformationnelle au cours de la r&actionimposent, alors, I’additionconjugude #anion en 15g (addition /t&ale: s&uence +, -) ce qui correspond au trajet r&ctionnel de moindre Cnergiepuisqu’onpasse de la forme enveloppe i&ale du produit de d&art B un Cnolateprimaire tinal darts le forme enveloppe correspondante sans changemeat du signe d’aucun des angles de torsion par rapport Ala forme i&ale (un d&Ire positif s’annuleet un d&Ire nul devieot positif lors du passage de la conformation initialeAla conformationprimaire tinale).Le trajet r&ctionnel correspondant B l’addition conjugu& de l’anion sur le position 15 en a peut dtre exclu car il ferait intervenir pour I’Coolatetinal primaire une forme non remarquable de haute Cnergie du cyclopentine: la sdquence des signes darts 1’Cnolateprimaire wait (O++-). On peut noter que la direction de l’additionconjugute darts une cyclopentinone mainteoue dans une conformation enveloppe dCtermin6eest implkite darts la conformation initiale:dartsles exemples Det 6 de la Fig. 3 la sdquence des signes des angles de torsion au niveau du carhoue CthylbniqueI5 est (0, -) u qui correspond B une addition /I&ale (+, -) darts I’bnolateprimaire final. Une interpr&ation, analogue A celle qui vient d%tre expos&, peut &re don& pour l’exempled de la Fii. 3, m&mesi, dans u CBS,on passe dune forme enveloppede cyclopentine &une conformationprimairefinaledu cycle D en den&hake. Ici encore, le point essentiel Asouligner est qu’au cours de la Action il n’y a aucun changement de signe des angles de torsion du cycle pentagonal (un d&ire nul est devenu n6gatif)u qui correspond Aun trajet r&ctionnel de faiile Cnergie. L’autre trajet rdactionnel correspondant a I’addition conjugtuk de l’anionen /? sur la position 16ntcessiterait, par rapport B la forme initiale en enveloppe du cycle D, l’inversionde plusieurs angles de torsion et aboutirait B un Cnolateprimaire final de plus haute tnergie que la forme demichaise correspondant Al’additionen 16~. En& dans l’exemplec de la Fig. 3, la jonction cis des cycles C, D, fait intervenir l’hydrog&nea@aire du carbone 14, darts I’orientation g-axiale et la liaison C&, a&ale par rapport au cycle D, ce qui correspond au mdthyle angula& 18darts l’orientation6quatoriale. Cette jonction cis d&ermine la conformation enveloppe de la cyclopentinone et, du meme coup, la dqwou des signes des angles de torsion. LAencore, le trajet r6actionnelde moindre Cnergie,correspondant it la moindre ddformation conformationnelk de la forme initiale B la forme primaire finale, impose I’additionconjugude d’hydrure en g sur la position 17: il n’y a au cours de la reduction, aucune inversion du signe d’un di&Jredu cycle pentagonal, mais un di&Jrenul devient n&atif et un d&ire dgatif s’annuk lors du passagede la forme enveloppe initialede la cyclopentinone B la forme
aaglesde torsiea-fV
2107
enveloppe de I’Cnolateprimaire final. En dehors de toute considtration d’ordre CnergCtique,l’addition d’hydrure en a sur la position 17est stiriquement emp&h& par la di5cultd d’approche des r6actif.s A l’int6rieur de la concaviu!form& par la pliure rCsultantde la jonction cis des cycles C, D, ce qui exclut le trajet reactionnel correspondant. Darts le c-asde cycles isol& le cours st&ique de la reaction d’addition conjugute d’anions sur les cyclopent&n-2ones depeodra de la nature et de la taille des substituants du cycle et notamment de la pr&ence de substituantsvolumineuxou polaires en 3,4 et 5 (Fig. 2). L’effet de tension allyliq~,‘~ d’autantplus marquCque le substituanten position allylique est volumineux,peut se ma&ester soit sur la cyclopent&me de depart soit sur l’tnolate primaire final correspondant et se traduire par une orientation “axiale”” ptiferentielle du substituant allylique. On peut done s’attendre assez souvent a une additionconjugu6ecinetique de l’anionen trans par rapport au reste en position allylique qui pout &tre un alkyle, un aryle ou trn groupe polaire [exkmplesdes Figs. 417.18 et 519.211. Par exempie (Fig. 4a) le produit principalde l’addition conjugude de l’anion mCthyliqueou vinylique sur la cyclopentinone substituCeen position allylique par le groupe R1 volumineux correspond a une trams-addition de l’anionpar rapport au groupe R2 sur la conformation enveloppe de la cyclopentinone sur laquellele groupe R2 est axial. Dans l’exemple6 de la Fig. 4, tout se passe comme si le produit de rkduction de la cyclopentinone par le lithium dans l’ammoniaccorrespondait B l’additionconjug& d’hydrure en trcns par rapport au phCnyle4, sur la forme enveloppe de la cyclopeat&nonedarts laquellele phdnyle en 4 a l’orientationaxiale. La prdsenu d’un acyloxyle ou d’unalkoxyle en 4 de la cyclopentinone (exemplesFig. 5) peut doMer lieu Aune comp&itionentre deux effets s’exercarrtdans des directions oppos&s: d’une part un effet d’orientationcis, par complexationde l’organom&allique,effet plus ou moins pronon& suivant la nature du m&al de l’organombtallique, d’autre part un effet inducteur d’attraction des Clectronstendant B imposer l’additionde l’aniondu c8ti 0pposCAI’acyloxyleou B I’alkoxyle[cf Fii. 5, exemple c, ob les deux Cnolatesisombres sont form&sdans le rapport 1.3:l”]. De nombreux exemples de ut effet inducteur sur le cours de l’addition d’anions ont Ctc observCsdans les synt&es de prosmglandinesmettant en oeuvre des cyclopent&nonessubstituCes.P Sur la Fig. Sa, l’addition warts pr6pondCrante de l’anioo du nitromCthane par rapport au groupe carbomCthoxylea lieu sur la forme enveloppe de la cyclopentinone oh le groupe ester est axial. L’effet inducteur et l’effet de tension allyliqueconjuguentici leurs effets. Darts l’exemple b de la Fig. 5 le produit principal de l’additioo conjugu4e d’anion malonate correspond a l’entr& tmn.r de Pardon par rapport au reste acyloxyle en 4, orient4 axialement sur la conformation enveloppe r&&e. EntIn, darts l’exemple c de la Fig. 5, l’effet inducteur de l’alkoxyleest probablementcompeosCpar un effet de complexationde l’organom&alliqueu qui est reflCt4par la formation des deux isombrespossibles au tours de la r&actionavec une faibk st&os4lectivitc en faveur du produit d’additiontmns par rapport au groupe alkoxyle inducteur.
Dartsle cas ou k groupe en 4 de la cyclopea3none est un hydroxyle on peut pr6voir un effet d’orkntation du rbactif par I’hydroxyk, effet qui peut devenir dominant suivant la nature du m&al de l’organomCtaUique utilis4 pour I’additkn conjugube[exempks F@ 6=-l. L.$Iencore ks exemples de la litttrature, en s&k prostaglandine, sug&rent qu’il est possiik, suivant la nature du m&alet ks conditionsexp4rimentales,d’exalter ou de r6duire I’effet dbrkntation pour aboutir au rCsuhatdbsir6. Ainsi darts I’exemplc u de la F@ 6, empruntt g la chin& des prostagkndbs, Milisation de Wuninique darts I’additionconjugu6econduit au seul d&iv6 de type A tandis qu’avec Ia meme cyckper.tt&nonede d&art, c’est k d&iv6 de type B qui est principalementobtenu lorsqu’on utilise k rdactif compkxe issu .du mCkngede vinyIlithiumavec le phosphite de mtthyk et k cyanure cuivreux. Comme on I’a indiqu4sur la Fw 6 k cuprate conduit g WI mCknge des deux isomtres sans grande s&cuvit6. Dartsl’exempleb de la Fu. 6, si on admet que darts la r&k&ion par k lithium darts I’ammoniacliquide tout se
passe conune s’il y avait une addition conjugube
d’hydrure, on observe que le produit principal de la rbduction de la cyclopenttnulone correspond A I’introduction de l’hydrure en cis par rapport B I’hydroxyk orient6 Quatorialement sur la fonne enveloppe: darts ce dernkr cas un effet d’orientation par complexation du rdactif avec I’hydroxylene peut 2tre exck. On peut Ctendrela mCthoded’analyseg I’interprbatkn ou g la pr&ision du cows st6riquede certaines cycloadditions d’&hers d’dnols ou d’ynaminessur des doubks liaisonsde cyclopent&ncssubstitu&,lorsque la &action de la premibe liaison satur& correspond B une r6action de MichaelfRii. 7). Ainsi I’additionthermique du npropyl &her Cndique cis du prupionaldChydesur k formyl-1, mtthyl-5 cyclopentbe a lieu sur la position 2, de ma&e apparemment pr6fCrentieRedu c&4 oppos4 au m&hyleen Lrn On peut dormer l’interprbion suivante de ce r6sultat (voir Rig. 7, exemple 0). Dartsl’orkntation 6quatorialedu mbthyl-5 il ne peut y avoir de coplaacitb ais& de la forme Cnoliquedu formyle, darts I’mtermbdiairepr6sumCde la r&tion, en raison des interactions st6riques entre le
p.
Ref 23
cu(CH=($.&)2
A+0 61XB
Rcf 24
RI
b
Ref 25
HO
Rp
I-K)
LVNH,
X R,=CH,, HIllI
HO
R2
H
+ - IIIIH
Ho
CH2CH=CY
R2 =
CH,,
CH2CH=CHI
Fig.6.
f32
2110
E. Toaow~o~p
OPr 170=, 46h
Ref 26
42%
b
/
CH,C=CNEt, \
N Et,
Ref 27 +
Fii. 7.
mCthyle Cquatorial et I’hydroghe de l’tnol. Au contraire lonque le mCthyle en 5 a I’orientation axiale il n’y a pas d’emphzhement B une disposition coplanaire de la forme Caolique du formyle. Une telle disposition qui correspond, probablement, B Mat de transition de plus faiile Cnergie pour la cycloaddition, conduit au produit obseN6 exphnentalement. Si cette interprhation est correcte on devrait s’attendre B ce que le remplacement du formyle par un groupe de moindre encombrement, par exemple par un groupe Maire tel que le nitrile, provoque une diminution de la stMos&ctivit& de la rhction de cycloaddition. ll ne semble pas que la rhction correspondant h I’exemple a de la Fig. 7 ait Ctt effect& avec le nitrile au lieu du formyk mais on peut noter que la cycloaddition de la NJVdihhyipropynamine sur le cyano-1 m&hyl-5 cyclopenthe conduit B un mCla.nge,en quantith sensiblement @ales des deux isombres [Fig. 7, exemple /?‘I correspondant aux deux conform&es possibles.
En conclusion, l’utilisation de la notation des angles de torsion pour expliciter les hypothbses d’addition perpendiculaire de l’anion, de maintien du recouvrement des orbitales et de moindre d&formationconformatioonelle autorise une interpr&ation g&&ale du tours stirique de l’addition coojuguke d’anions sur les c&ones a&&hylbniques cycliques de cycles petits et moyens (cyclopenttnone, cyclohex&none), et pcrmet, m&me assez souvent, de prkvoir le tours st&ique de la r&&on.
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2111
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Stork et S. D. Darling, J. Am. Chem. Sot. 86.1761 (1964). ‘v. Kienxk. Cl.W. Holland, J. L. Jemow, S. Kwoh et P. Rosen, 1. Org. Chart. 38.3446 (1973).Nous supposons qu’il s&it dans cet exemple d’un resultat cinttique mais ks auteurs n’oot pas pr&iJc ce poiot. mA. Ishibara, J. MC&, K. Kubayashi, S. Kagawa, H. Sbirahama et T. Matsumoto, Tetmhedrun #, 1331 (1970). Etude des conditions exptrimeotaks et d6fimtioo du cootrfik cidtique. *‘G. Stork et M. Isobe. 1. Am. Chem. Sot. 97,6260(1975). =Voir en pmtkuher les rdf6rence.ssuivantes: ‘C. J. Sih, P. Price, R. Sood, R. G. Salomon, G. Pemxzotti et hf. Casey, 1. Am. Chn. Sot. 94.3643 (1972);C. J. Sib, J. B. Heather, G. P. Peruzzotci, P. Pricc,R. .%xi,Lane_FongetHsu Lee,J.Am. Char. &x.95,1676 (1973);C.J.Sih,J.B.Heather,R.Sood,P.Price,G.Pe~zz4Xti,L. F. Hsu Lee et S. S. Lee, 1. Am. Cha. Sot. 97,865 (1975);J. B. Hea& R. Sood, P. Price, G. P. PeruzzoUi, S. S. Lee, L. F. Hsu LceetC.J.Sih,TctmMrunLeftcn2313(l973);bA.F.Kluge,K. G. Uotch et J. H. Fried. J. Am. Chem. Sot. 94.7827 (1972): ,..94. 9256 (1972). g. R. Pappo et P. W. Collins, Tetmhdrvn L&ten 2627 (1972). “F. S. Alvarez, D. Wren et A. Prince, 1. Am. Chn. Sot. 94, 7823 (1972). 2.‘P. De Clerq, D. Van Haver, D. Tavemier et M. Vandewalk, Tctmhcdron M, 55 (1974). ‘bF. Korte. K. H. Blkhel et A. Zschocke, Cheer. Brr. 94, 1952 (1961).Les auteurs ne qeotionneot pas la presence d’isomtre. nOJ. Ficini, J. d’Anglo, A. Eman et A. M. Touzin, Tetrahedron LAlters683 (1976);bJ. Fiii et J. d’Aogelo, Tetrahedron Letiers 687 (1976). “G.