Synthèse asymétrique du menthol : ce que demande l'exercice
Le troisième exercice du Bac S 2016 Asie, noté sur 5 points, porte sur le (−)-menthol, la molécule à l'odeur de menthe. Son énantiomère, le (+)-menthol, a une odeur de moisi : il faut donc obtenir le bon stéréoisomère. La partie 1 étudie le procédé historique, qui part du m-crésol et du propène pour former le thymol, puis l'hydrogène. La partie 2 étudie le procédé Takasago, qui part du myrcène et utilise un catalyseur chiral. La partie 3 compare les deux procédés au regard de deux principes de la chimie verte.
Les passages clés, question par question
Propène et hydrogénation du thymol
Le propène est un alcène à trois carbones : CH2=CH–CH3, dont la formule topologique tient en deux segments, l'un doublé. L'hydrogénation du thymol est une addition : le thymol et trois molécules de dihydrogène donnent un seul produit, et les trois doubles liaisons du cycle disparaissent.
Carbones asymétriques et relations de stéréoisomérie
Le (−)-menthol possède trois carbones asymétriques, tous dans le cycle : ceux qui portent le méthyle, le groupe hydroxyle et l'isopropyle. On compare ensuite les représentations de Cram. Dans le stéréoisomère 1, les trois substituants ont changé de côté : c'est l'énantiomère du (−)-menthol, donc le (+)-menthol. Dans le stéréoisomère 2, seul le méthyle a changé de côté : c'est un diastéréoisomère.
Le rendement du procédé au thymol
Les étapes sont totales et les 8 stéréoisomères (23 pour trois carbones asymétriques) sont formés en quantités égales. Le (−)-menthol n'en représente qu'un huitième : le rendement vaut 1/8, soit 12,5 %, une valeur exacte.
Le procédé Takasago
Le myrcène ne présente pas d'isomérie Z/E : dans chacune de ses trois doubles liaisons, un carbone porte deux groupes identiques (deux H ou deux CH3). En suivant le schéma, l'étape 2 crée un carbone asymétrique et l'étape 4 en crée deux, soit trois au total. La catalyse asymétrique a lieu à l'étape 2 : le réactif est achiral, le catalyseur (−)-BINAP-Ru+ est chiral et le produit est un seul énantiomère. Pour le bilan global, la diéthylamine est consommée puis restituée : X et Y sont H2O et H2, et l'équation C10H16 + H2O + H2 → C10H20O est équilibrée.
La comparaison au regard de la chimie verte
Catalyse sélective : le nickel du procédé au thymol conduit aux 8 stéréoisomères, alors que le procédé Takasago ne fournit que le (−)-menthol. Économie d'atomes : avec M = 156,0 g·mol-1 pour le menthol et 136,0 + 18,0 + 2,0 g·mol-1 pour les réactifs, l'utilisation atomique vaut UA = 1. Rapportée au seul (−)-menthol, celle du procédé au thymol tombe à 0,125.
Les pièges à éviter
Ne pas dessiner trois segments pour le propène. Ne pas marquer comme asymétrique le carbone central de l'isopropyle, qui porte deux CH3 identiques, ni les CH2 du cycle. Ne pas conclure à une isomérie Z/E dès qu'une molécule contient une double liaison : il faut examiner les deux carbones. Dans la question de synthèse, recopier les principes ne suffit pas : chaque argument doit s'appuyer sur un fait du sujet et l'économie d'atomes doit être chiffrée.
Conseils pour réussir
Pour classer deux stéréoisomères, compare les liaisons de Cram une à une : toutes inversées, ce sont des énantiomères ; une partie seulement, des diastéréoisomères. Dans un schéma réactionnel, compte les carbones asymétriques avant et après chaque flèche. Pour un bilan global, additionne les étapes et raye les espèces formées puis consommées. La stéréoisomérie ne figure plus au programme actuel de la spécialité, mais la catégorie des réactions, l'écriture d'un bilan et l'économie d'atomes restent utiles.