1. Nomenclature

Les règles de Baldwin sont des règles empiriques (définies par l'expérience) qui permettent de prédire le type de cyclisation qui aura lieu lors d'une réaction. En effet, dans l'exemple suivant, notre radical peut attaquer la double liaison de deux façons différentes. Dans un cas on obtient alors le cycle à 5 chaînons alors que dans l'autre cas on forme celui à 6 chaînons. Les règles de Baldwin permettent de prédire celui qui sera formé de façon privilégiée.

Ici, on prend l'exemple d'une réaction radicalaire, mais il est à noter que les règles restent identiques pour des processus anioniques, par exemple. Dans notre exemple, on a pris le cas d'un processus qui permet de former un cycle carboné, mais les règles de Baldwin s'appliquent aussi à la formation d'hétérocycles.

Les règles de Baldwin s'appliquent à la formation de cycles de 3 à 7 chaînons.

On note deux types de processus, le processus exo et le processus endo. Ces deux types de processus dépendent du type d'attaque, mais surtout de la position dans laquelle va se retrouver l'insaturation après l'attaque. En effet, si après cyclisation l'insaturation (ou plus exactement l'ex-insaturation) se retrouve en dehors du cycle formé on parle de processus exo. Si l'insaturation se retrouve à l'intérieur du cycle, on parle de processus endo.

Il existe une exception à ces règles, en effet il faut que l'atome qui porte la charge négative ou le radical soit un élément de la 2ème ligne de la classification périodique des éléments (typiquement Carbone, Oxygène, Azote, etc…). Et cela est une conséquence directe de la longueur des liaisons formées ainsi que de la taille de l'atome. Les règles suivantes ne sont valables que pour les éléments de la 2ème ligne.

            Les cyclisations s'adressent à trois types de systèmes : (pour simplifier on prend l'exemple d'un radical qui attaque un système carboné)

Ici, notre radical vient attaquer une triple liaison, c'est-à-dire un carbone hybridé sp. On parle alors de système digonal. Là encore les deux types d'approche sont possibles, endo ou exo. On a donc une réaction de type endo-dig ou exo-dig.

Ici, notre radical vient attaquer une double liaison c'est-à-dire un carbone hybridé sp2. On parle alors de système trigonal. Là encore les deux types d'approche sont possibles, endo ou exo. On a donc une réaction de type endo-trig ou exo-trig.

Ici, notre radical, un carbone hybridé sp3. On parle alors de système tétragonal. Là encore les deux types d'approche sont possibles, endo ou exo. On a donc une réaction de type endo-tet ou exo-tet.

Enfin, pour en finir avec la théorie, lorsqu'on parle des règles de Baldwin, on parle de processus X‑exo-trig (par exemple, mais toutes autre combinaison est possible). X représente le nombre d'atomes qui constitue le cycle que l'on veut former. Pour chaque processus, il existe deux possibilités, soit le processus est favorisé (alors on forme le cycle), soit le processus est défavorisé (dans ce cas on forme aussi le cycle, mais c'est beaucoup plus dur, il s'en forme moins, le rendement est moins bon).

 

2. Cyclisation

2.1 Règles sur les systèmestétragonaux

2.2 Règles sur les systèmes trigonaux

2.3 Règles sur les systèmes digonaux


Ces règles sont ici expliquées dans le cas le plus simple. A savoir dans le cas où le cycle n'est composé que d'atomes de carbone. Mais lorsque l'on remplace un des atomes de carbone par un atome d'oxygène, par exemple, l'angle de liaison change. En conséquence, les proportions en produit exo et endo peuvent varier. On remarque qu'il faut bien prendre en compte la configuration du substrat de départ pour mieux comprendre les proportions en produits exo et endo.

2.4 Angle d'approche

Au cours de la cyclisation, l'atome réactif vient former une liaison selon un certain angle d'attaque. Cet angle dépend du type de cyclisation que l'on veut faire, ainsi l'angle d'une cyclisation X-exo-tet est différent de celui d'une X-exo-trig et d'une X-exo-dig

Système tétragonal

Ici on a un angle de 180° entre l'espèce entrante (X) et l'espèce partante (Y). On peut assimiler cette réaction à une SN2 intramoléculaire qui donnerait un cycle.

Système trigonal

Ici X arrive sur la double liaison, d'un carbonyle ou une insaturation carbonée selon un angle d'approche de 109°. On retrouve cet angle de 109°. Sur le composé tétraédrique formé.

Système digonal

Dans ce cas on a un angle d'approche de 120°, ce qui correspond une fois de plus à l'angle que l'on retrouve sur la molécule formée. Ici on a pris le cas d'un nucléophile (X) qui attaque une triple liaison, l'anion formé ensuite (est nucléophile) et vient donc se lier à la partie électrophile (Y) du nucléophile (X) de départ.

2.5 Cas de la cyclisation cationique

Le cas d'une cyclisation cationique est beaucoup plus difficile à aborder et c'est pour cela que nous ne traiterons que le cas de la 6-endo-trig et de la 5-endo-trig. En effet, les cyclisations de type 6-endo-trig sont largement connues et se font par exemple entre une double liaison d'oléfine et un carbocation, ce qui forme un cycle à 6 chaînons. En revanche, cette même réaction n'est pas possible dans le cas de la formation d'un cycle à 5 chaînons.

6-endo-trig

5-endo-trig

Bibliographie :
1. Baldwin J. Chem. Soc., Chem. Comm.1976, 734-736.
2. Baldwin; Thomas; Kruse; Silberman J. Org. Chem. 1977, 42, 3846.
3.Baldwin; Lusch Tetrahedron 1982, 38, 2939.

2.6 Facilité de Cyclisation

Comme nous venons de la voir, Baldwin a édité des règles bien pratiques qui permettent de prévoir les cyclisations qui pourront avoir lieu. Cependant, certaines fois il peut y avoir compétition entre la formation d'un cycle à 5 ou 6 chaînons, c'est le cas notamment entre les cyclisations 5-exo-trig et 6‑endo-trig. Dans ce cas, on observe 98% de composé issu de la cyclisation 5-exo-trig, et seulement 2% du composé de cyclisation 6-endo-trig. En effet, les composés cycliques à 5 chaînons sont formés plus rapidement que les composés à 6.

Le tableau ci-dessous regroupe la vitesse relative lors d'une réaction lactonisation (plus le chiffre est élevé et plus la réaction est rapide).

Produit obtenu

Taille de cycle

Vitesse relative

3

21.7

4

5400

5

1500000

6

17000

7

97.3

8

1

9

1.12

10

3.35

De ce tableau, il ressort que les cycles à 5 chaînons sont très faciles à former et se forment donc plus vite que n'importe quel autre cycle. En revanche, les cycles à 8 chaînons sont très difficiles à former.

 

Pour plus d'informations ...
Pour aller plus loin ...