La réaction d’Orito, illustrée à la Figure 0.4, se déroule dans un milieu catalytique complexe comprenant une surface métallique et son support catalytique, un solvant et parfois des additifs, un modificateur chiral, un réactif et son alcool correspondant produit par la réaction, et bien entendu de l’hydrogène [43]. L’approche des sciences des surfaces présentée dans cette thèse se veut réductionniste ; nous ne nous concen- trons que sur les interactions entre modificateur chiral et substrat pro-chiral sur un monocristal de platine dans un environnement ultra-haut vide. Évidemment, plu- sieurs interactions importantes pour améliorer le rendement et la sélectivité de la réaction sont négligées par notre approche. La brève présentation des résultats obte- nus sur le système catalytique ici présentée ne se veut pas exhaustive ; elle permet de mieux cerner les questions auxquelles nos travaux peuvent contribuer à répondre. Tout d’abord, les nanoparticules de platine utilisées en catalyse se retrouvent sur un support d’oxyde d’aluminium ou de silicium, qui peut avoir une influence sur la ré-
Figure 0.4 – Réaction d’Orito. Une cétone activée est hydrogénée de façon énantiosé- lective sur des nanoparticules de platine (ou de palladium) sur lesquelles est adsor- bée une molécule chirale appelée modificateur chiral. La réaction se déroule dans un solvant dans lequel de l’hydrogène est dissous [43].
action. En effet, le groupe de Baiker a pu démontrer que l’acidité du support était corrélée positivement avec l’énantiosélectivité et négativement avec la vitesse de ré- action [47]. Baiker et collab. proposent comme explication un transfert électronique du platine vers le support. Ce changement de l’état électronique du platine vient alors influer sur la chimisorption de l’hydrogène, du substrat pro-chiral et du modificateur chiral. Cependant, la magnitude de ces effets n’a pas été quantifiée, et l’hypothèse de Baiker, bien que fort plausible, ne demeure qu’une supposition.
Les meilleures sélectivités et activités obtenues pour la réaction d’Orito l’ont été sur des nanoparticules de platine d’environ 3 nm de diamètre, soit une taille suffisante pour que la cinchonidine ou une molécule apparentée puisse être adsorbée sur une terrasse avec un faible indice de Miller [48]. Malgré la plus faible réactivité des atomes sur des terrasses comparativement à ceux sur des décrochements, la présence du mo- dificateur chiral permet à la réaction d’avoir lieu avec une bonne activité sur la ter- rasse. Baiker et collab. ont comparé le rendement catalytique de nanoparticules de formes différentes, et donc de différents ratios de terrasses de faible indice de Mil- ler [49]. Ils ont pu établir que c’était à la face (111) du platine que se déroulait la ré- action avec la meilleure énantiosélectivité. Ce résultat — en déterminant la meilleure surface pour la réaction — nous a permis de sélectionner le bon cristal sur lequel effectuer nos études en sciences des surfaces : le Pt (111).
La présence d’une molécule chirale — le modificateur chiral — est nécessaire pour induire préférentiellement la formation d’un énantiomère. Le premier modificateur chiral utilisé, et souvent le plus efficace, est la cinchonidine [43,46]. La Figure0.5pré- sente certains des modificateurs chiraux testés pour la réaction d’Orito, La cinchoni- dine représente les modificateurs chiraux naturels issus de la famille des alcaloïdes tandis que les autres sont des modificateurs chiraux synthétiques. Tous partagent
certaines caractéristiques structurelles : un centre chiral, un groupement aromatique pour ancrer la molécule, et une amine donneuse de liens hydrogène [46,50]. Les liens C – H aromatiques peuvent aussi agir comme source de liaisons hydrogène pour un éventuel substrat pro-chiral.
Figure 0.5 – Différents modificateurs chiraux pour la réaction d’Orito. Les masques ovales indiquent le groupement aromatique ancrant, l’astérisque verte le centre chiral et les donneurs de liens hydrogène apparaissent en bleu. (A) (R)-1-(1- naphthyl)éthylamine ((R)-NEA). (B) (R)-N-Méthyl-1-(1-naphthyl)éthylamine ((R)-MNEA). (C) (R)-1-(8-méthyl-1-naphthyl)éthylamine ((R)-8MeNEA). (D) (R)-1-naphthyl-1,2-éthanediol ((R)-NED.) (E) Cinchonidine. (F) (R, S)-pantoyl- naphthyléthylamine ((R, S)-PNEA).
La configuration générale des membres de la famille des alcaloïdes a été étudiée en variant la chiralité des centres stéréogéniques et en introduisant différents groupe- ments périphériques. Tout d’abord, il semble que la protonation de l’amine tertiaire soit nécessaire pour que la réaction énantiosélective ait lieu [51]. La protonation fige certains des degrés de liberté internes de la cinchonidine et la rend plus rigide [52]. Le positionnement relatif des différentes sections du modificateur chiral crée différents sites catalytiques où peut venir se lier un substrat pro-chiral. Différentes configura- tions se soldent nécessairement par des sites catalytiques d’efficacités et de sélecti- vités variables pour chaque substrat [46]. La grande flexibilité structurelle des alca- loïdes leur permet d’adopter différentes configurations selon le milieu ; la tempéra- ture, la protonation de l’amine et la nature du solvant influent toutes sur la structure des alcaloïdes [51–53], et donc de présenter différents sites catalytiques. Le substrat pro-chiral sur une surface contrôle lui aussi, en partie, la configuration du modifica- teur chiral adsorbé, et donc sa réactivité. Schmidt et collab. ont en effet pu observer
la configuration de la cinchonidine en étudiant les produits de son hydrogénation en présence de divers substrats pro-chiraux [54]. Celle-ci donne des produits distincts selon le substrat auquel elle est liée, comme présenté à la Figure0.6. Il s’agit ici d’un phénomène d’ajustement induit du modificateur.
Figure 0.6 – La présence d’un substrat pro-chiral change le conformère majoritaire de la cinchonidine sur la surface, tel qu’indiqué par le produit de l’hydrogénation de la cinchonidine qui change de chiralité. Issu de [54].
Des modificateurs chiraux synthétiques peuvent aussi être employés pour l’hydro- génation énantiosélective de cétones. Des dérivés de la proline, d’imidazolidinone et de tryptophane ont été étudiés en milieu catalytique et induisent une certaine sé- lectivité, bien que les ee obtenus ne soient pas comparables à ceux atteints avec la cinchonidine [55,56]. Des études catalytiques plus poussées ont été effectuées sur le NEA et ses dérivés [18, 57–60]. Le NEA partage avec la cinchonidine les caractéris- tiques requises pour être un modificateur chiral efficace : un groupement aromatique pouvant servir d’ancre, un centre stéréogénique, et une amine à laquelle un substrat peut se lier par des interactions non covalentes. Le NEA dispose de beaucoup moins de liberté conformationnelle que la cinchonidine en surface. Son adsorption sera dis- cutée à la section suivante. Cette liberté de mouvement moins grande ne signifie pas que le NEA soit incapable de se modifier afin de mieux accommoder un substrat pro-chiral ; des calculs DFT montrent que la géométrie d’adsorption du (R)-NEA va-
rie légèrement en fonction du substrat auquel il est lié [61, 62]. Le NEA peut aussi s’adapter au substrat, et même se lier de façon covalente à ce dernier. Dans le cas du pyruvate d’éthyle (EP : ethyl pyruvate), la réaction de condensation est inévitable dans le toluène [18,59,60].
Le (R)-NED est un modificateur chiral efficace pour l’hydrogénation énantiosélective du KPL, atteignant des ee de 30 % [58]. Sa structure rappelle celle de la cinchonidine et du (R)-NEA. Deux groupements hydroxyles viennent ici remplacer l’amine comme donneur de liaisons hydrogène. Ce changement, combiné à la sélectivité du (R)-NED, soulève la question du mécanisme réactionnel, et donc du mode d’adsorption de ce modificateur chiral. En particulier, si l’hydroxyle le plus près du centre chiral est adsorbé parallèlement à la surface, l’autre en sera nécessairement éloigné.
Orglmeister et collab. ont condensé plusieurs molécules sur l’amine du (R)-NEA afin de trouver un modificateur chiral synthétique efficace pour l’hydrogénation asymé- trique du KPL [18]. Pour un méthyle condensé sur l’amine, le modificateur chiral résultant, le (R)-MNEA, n’a qu’un ee de 32 %, inférieur au ee de 52 % obtenu par le (R)-NEA. Le (R, S)-PNEA, obtenu par la condensation du KPL sur le (R)-NEA, permet d’atteindre un ee de 79 % [18,63].
La Figure 0.7 présente les substrats pro-chiraux, et leurs ee avec la cinchonidine et le (R)-NEA, pertinents pour cette thèse [46]. Ceux-ci partagent certaines similarités structurelles. Tout d’abord, ce sont des molécules planes. La présence d’un groupe- ment électroattracteur en α de la cétone ciblée par la réaction est aussi un point com- mun des substrats efficaces, et semble nécessaire afin d’activer la cétone. Des études en sciences des surfaces et des calculs théoriques ont apporté un éclairage sur la géo- métrie d’adsorption du KPL, du TFAP et du MTFP et seront présentées à la section suivante.
La solubilité — autant du substrat que du modificateur — contrôle la disponibilité de ces molécules sur la surface [46]. Le solvant employé influe directement sur la conformation de la cinchonidine, soit par des interactions directes ou en favorisant la protonation de l’amine tertiaire. Cette amine devient plus à même à faire des liai- sons hydrogène, autant avec d’autres parties de la cinchonidine — permettant une certaine stabilisation intramoléculaire — qu’avec le substrat pro-chiral. Le solvant peut avoir une influence sur la réaction globale en interagissant avec le substrat. Par exemple, l’hydrogénation du TFAP en présence de cinchonidine donne l’alcool (S) pour les solvants plus basiques et l’énantiomère (R) dans les plus acides [66]. L’ad-
Figure 0.7 – Différents substrats pro-chiraux pour lesquels la réaction d’Orito est effi- cace. (A) Méthyle 3,3,3-trifluoropyruvate (MTFP). (B) Pyruvate de méthyle. (MP) (C) Cétopantolactone (KPL). (D) 2,2,2-trifluoroacétophénone (TFAP). La cétone activée apparait en bleu et les groupements électroattracteurs en vert. Le meilleur ee obtenu — et l’énantiomère favorisé — sont indiqués sous les schémas de chaque molécule pour la cinchonidine et le (R)-NEA [46,61,64]. Aucun résultat catalytique n’a été pu- blié pour l’hydrogénation énantiosélective du MTFP. L’ ee indiqué pour le MP et le (R)-NEA (*) a plutôt été mesuré pour le pyruvate d’éthyle, tandis que le modificateur chiral effectif est un condensat du (R)-NEA et du pyruvate d’éthyle [65].
duit catalytique implique un hémiacétal pour un solvant basique, qui se liera néces- sairement de façon différente à la cinchonidine. L’étude de l’effet des solvants sur les complexes catalytiques individuels en surface n’en est qu’à ses balbutiements, bien que des études théoriques, comme celle de Steinmann et collab. ont pu démon- trer que l’énergie des différents modes d’adsorption du COOH varie en fonction du solvant [67]. Des études STM en phase liquide sur la solvatation de molécules orga- niques permettent de croire que des études molécule-par-molécule pourront appor- ter un nouvel éclairage sur la contribution du solvant au mécanisme de transfert de chiralité en surface [68].
Il est aussi à noter que la réaction d’hydrogénation énantiosélective du pyruvate de méthyle sur du platine chiralement modifié fonctionne dans un environnement ga- zeux, et que le solvant n’est pas nécessaire à la réaction [69]. Il existe donc certaines interactions fondamentales entre substrat pro-chiral et modificateur chiral qui ne dé- pendent pas nécessairement du solvant, et qui peuvent donc être sondées par des études en environnement ultra-haut vide.
L’ajout d’additifs à la réaction peut aider à en améliorer le rendement et la sélecti- vité. Dans le cadre de la réaction d’Orito, la présence d’acide trifluoroacétique (TFA) peut jouer ce rôle très efficacement, comme pour l’hydrogénation du TFAP par la cinchonidine, dont le ee passe de 50% à 92% en présence de TFA [70–74]. Le groupe
de Baiker a observé que le TFA vient perturber les assemblages de TFAP pro-S avec la cinchonidine, tandis que Brunelle et al. ont relevé que le TFA vient perturber les dimères homochiraux — autant pro-R que pro-S — de TFAP et ainsi réduire leur activité [75,76].
L’adsorption du groupement aromatique des alcaloïdes de la famille des cinchonas ou du (R)-NEA et de ses dérivés a longtemps été assumée comme étant parallèle à la surface. C’est effectivement le cas pour les résultats ultra-haut vide [61, 77, 78]. Les calculs théoriques ne tenant pas compte du solvant supportent d’ailleurs cette hypothèse [61,77–79]. Un point important soulevé par le groupe de Sautet pour l’ad- sorption du naphtalène sur une surface de platine est l’activation des liens C – H aro- matiques comme conséquence de la chimisorption ; liens qui peuvent ensuite agir comme donneurs de liaisons hydrogène [80].
Le solvant semble cependant avoir un effet sur le mode d’adsorption du modificateur chiral. Des travaux menés sous l’égide du Pr Zaera suggèrent que le (S)-NEA adsorbe avec une composante perpendiculaire à la surface dans le tétrachlorométhane [81]. La Figure0.8 relève un signal RAIRS fort pour les vibrations de l’aromatique que pour les molécules possédant une amine pouvant se lier à la surface. La conclusion tirée est que le groupement aromatique du NEA est fortement incliné pour ce substrat et que la liaison à la surface se fait au niveau de l’amine.
Des études in situ et operando par le groupe du Pr Baiker ont été menés pour obtenir plus d’informations sur la géométrie d’adsorption des modificateurs chiraux dans un environnement catalytique. Les modificateurs chiraux ciblés par leurs méthodes spectroscopiques se trouvent à l’interface liquide-solide et subissent à la fois l’in- fluence de la surface catalytique et du solvant. Autant pour la cinchonidine que pour le NEA, les géométries d’adsorption favorisées sont celles pour lesquelles le groupe- ment aromatique est parallèle à la surface, lorsque l’influence du solvant est négligée. Comme pour toutes les mesures spectroscopiques IR en surface, seules les vibrations perpendiculaires à la surface peuvent être observées. Pour le (R)-NEA et le PNEA en phase liquide, des modes de vibration spécifiques du naphtyle apparaissent à 1510 cm-1et à 1597 cm-1, pour des vibrations selon l’axe long et l’axe court, respectivement. Le spectre d’adsorption du (R)-NEA, à la Figure 0.9, relève la présence de ces deux bandes vibratoires, indiquant que chacun des deux axes principaux du naphtyle est incliné par rapport à la surface. Les bandes sont assez larges, suggérant une variété de modes d’adsorption distincts en surface.
Figure 0.8 – Signal RAIRS pour le (S)-NEA et d’autres molécules apparentées. Un signal n’est mesuré que lorsque l’amine est disponible pour se lier à la surface. Tiré de [81].
Pour le PNEA, la bande vibratoire associée à une vibration selon l’axe long du naph- tyle — la bande à 1510 cm-1— est fortement atténuée, indiquant une inclinaison ma- joritairement selon l’axe long. L’absence de la vibration du carbonyle à 1765 cm-1 suggère que le groupement pantoyle est majoritairement parallèle à la surface, si on considère que celui-ci demeure rigide [82].
La cinchonidine dont le groupement quinoléine est incliné par rapport à la surface semble jouer un rôle primordial pour l’hydrogénation énantiosélective de cétones activées. Dans le cas de l’hydrogénation du 4-méthoxy-6-méthyl-2-pyrone sur palla- dium, Rodriguez-Garcia et collab. ont pu démontrer que la cinchonidine « inclinée » permettait une plus grande sélectivité, bien qu’elle soit adsorbée moins fortement que la cinchonidine à plat sur la surface [83]. Un phénomène similaire a été observé par la même équipe [84] pour l’hydrogénation du KPL sur du platine ; ils ont relevé une forte corrélation entre l’intensité du signal associé à la cinchonidine inclinée et une énantiosélectivité accrue.
La cinchonidine inclinée est moins stable que la cinchonidine à plat sur la surface, mais demeure responsable d’une grande part de la réaction sélective. Par contre, si la
Figure 0.9 – Spectres infrarouges pour l’adsorption du (R)-NEA et du PNEA. Le spectre supérieur est obtenu pour les molécules en solution dans le toluène. Ceux du milieu sont obtenus lors d’une exposition croissante de la surface au modifica- teur chiral, tandis que les spectres inférieurs sont obtenus après que la surface ait été rincée pendant 30 minutes. Issu de [81].
différence d’énergie d’adsorption entre deux modificateurs chiraux est trop grande, le modificateur le plus stable occupera majoritairement la surface et sera responsable de la majorité de la réaction. Des mélanges binaires de modificateurs dont l’énergie d’adsorption diffère beaucoup et qui produisent des énantiomères opposés lors de l’hydrogénation d’une cétone particulière permettent d’étudier le lien entre l’énergie d’adsorption du modificateur et son rendement catalytique. L’hydrogénation du py- ruvate d’éthyle en présence de la quinidine donne majoritairement du lactate d’éthyle (S) ; l’addition d’un peu de cinchonidine – plus fortement liée à la surface – entraine la synthèse presque exclusive de l’énantiomère (R) [85].
De nombreux facteurs influencent le rendement et la sélectivité pour la réaction d’ Orito, et une grande variété d’approches — systématiques et réductrices — semblent nécessaires afin d’élucider son mécanisme réactionnel. Les méthodes des sciences des surfaces peuvent sonder avec acuité les interactions entre le substrat et le modifica- teur sur une surface catalytique idéalisée. C’est donc sur ces interactions que porte la prochaine section. L’accent sera mis sur les résultats obtenus par STM, en accord avec leur pertinence relative au contenu de cette thèse.