Analogues substitués sur la partie aromatique

IV.2.a. Premiers analogues

Dès les premières publications d’Ishii sur le NHPI, notre groupe s’est penché sur la modification structurale du NHPI dans l’espoir d’en moduler l’activité catalytique. En introduisant divers substituants sur le noyau aromatique du NHPI, une étude de la relation structure-activité pouvait être envisagée (Tableau 1-7). Ainsi plusieurs analogues ont été aisément synthétisés par réaction de l’hydroxylamine sur des anhydrides phtaliques commerciaux. Ceux-ci ont été testés en tant que catalyseurs d’oxydation aérobie en réaction avec l’éthylbenzène dans des conditions douces.⁶⁸

Catalyseur Conv. ^Rdt Cétone

Rdt

Alcool ^{Catalyseur Conv.}

Rdt Cétone Rdt Alcool 1 NHPI 22 61% 55% 2% 2 57% 50% traces 8 58% 55% traces 3 46% 36% 2% 9 64% 62% 2% 4 50% 42% 2% 10 10% 5% 2% 5 46% 46% 3% 11 5% 2% 1% 6 46% 36% 2% 12 61% 50% 2% 7 16% 10% 1% 13 81% 55% traces

Tableau 1-7. Résultats des premiers analogues en catalyse d’oxydation aérobie de l’éthylbenzène.

Il est possible de déterminer une certaine tendance à partir de ces résultats :

1 Les systèmes appauvris en électrons (entrées 2 à 7 du Tableau 1-7) semblent légèrement moins actifs que le NHPI.

1 Les systèmes enrichis en électrons (entrées 8 et 9) donnent des résultats proches du NHPI.

1 Les noyaux pyridiniques (entrées 10 et 11) correspondent à une très forte perte d’activité. On ne retrouve d’ailleurs pas le catalyseur en fin de réaction, synonyme d’une dégradation rapide dans le milieu.

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1 Les analogues polyaromatiques (entrées 12 et 13) restent également proches du NHPI et semblent prometteurs avec notamment le N-hydroxytétraphénylphtalimide 61 (NHTPPI) qui présente la meilleure conversion pour un rendement en acétophénone similaire à NHPI.

IV.2.b. Analogues à chaîne lipophile

Le NHPI présente une caractéristique physico-chimique assez limitante : il est peu soluble dans les solvants peu polaires tels que les hydrocarbures. C’est pourquoi la plupart des réactions d’oxydation aérobie discutées jusqu’ici ont été réalisées dans des solvants polaires tels que l’acétonitrile ou l’acide acétique. Or dans le cas d’intérêt industriel de l’oxydation du cyclohexane, la très faible solubilité du NHPI dans le cyclohexane lui-même s’avère un frein important à son développement. Le groupe d’Ishii a donc synthétisé des analogues du NHPI portant des chaînes alkyles pour augmenter sa lipophilie (Schéma 1-30).⁸⁶ Ces derniers ont été testés et comparés au NHPI pour l’oxydation aérobie de cycloalcanes et les résultats montrent une bonne corrélation entre la longueur de la chaîne lipophile et l’activité catalytique, pour des performances meilleures que le NHPI (augmentation du TON d’un facteur maximal de 5). Les conditions utilisées ici sont particulières (très faibles charges de catalyseur et initiateurs) car l’objectif était l’étude de l’activité catalytique via le TON des catalyseurs et non le rendement de la réaction.

Schéma 1-30. Oxydation aérobie du cyclohexane sans solvant catalysée par des NHPI lipophiles.

Substrat Catalyseur ^TON NHPI 22 9 11,7 22 48 9,7 62a (R = H) 8 62b (R = C₆H₁₃) 30 62c (R = C₁₂H₂₅) 20 56 110 140 33,5 62d (R = C₁₄H₂₉) 60

Tableau 1-8. Activités catalytiques (TON) des analogues à chaîne lipophile.

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Quelques années plus tard le groupe d’Ishii a également publié une étude sur des analogues aux chaînes latérales perfluorées (R = CH₂-C₇F₁₅ ou C₈F₁₇) qui montrent des résultats similaires en oxydation aérobie sans solvant du cyclohexane (augmentation du TON d’un facteur d’environ 2 par rapport au NHPI).⁸⁷

IV.2.c. Etude approfondie du NHTPPI

Au sein de notre groupe, la première série de tests d’oxydations aérobies catalysées par des analogues du NHPI avait notamment permis d’identifier le N-hydroxynaphtalimide 60 (NHNPI) et le N-hydroxytétraphénylphtalimide 61 (NHTPPI) comme alternative potentielle au NHPI (voir entrées 12 et 13 du Tableau 1-7), même si les rendements en acétophénone n’étaient pas supérieurs au NHPI.

Ceux-ci ont donc fait l’objet d’études plus approfondies par notre groupe et d’autres résultats sont venus confirmer les améliorations aperçues. En effet, dans le cas de l’oxydation aérobie de l’indane 63 en indanone 64 développée au laboratoire, dans des conditions douces, avec une charge en catalyseur diminuée (1 mol% au lieu de 10 mol% dans les systèmes d’Ishii), le NHTPPI montre un pouvoir catalytique bien supérieur au NHPI (Schéma 1-31).^52,88

Schéma 1-31. Oxydation aérobie de l’indane.

Par la suite, des réactions d’oxydation aérobie catalysée par le NHTPPI sur d’autres substrats, dans les mêmes conditions (1 mol% de catalyseur), ont été menées dans le but de définir son spectre d’activité (Tableau 1-9). Il s’est avéré des plus performants avec les substrats comprenant une position benzylique secondaire (entrées 1 à 6) et dans une moindre mesure avec les alcools benzyliques (entrée 7) et les dérivés de toluène (entrée 8).⁵²

87 Guha, S. K.; Obora, Y.; Ishihara, D.; Matsubara, H.; Ryu, I.; Ishii, Y., Adv. Synth. Catal. 2008, 350, 1323–1330.

88 Nechab, M., Synthèse et mise en oeuvre de nouveaux catalyseurs d’oxydation énantiosélectifs non

métalliques, Thèse Université Joseph Fourier: Grenoble 2006.

Cata. ^Rendement _Indanone

NHPI 22 ^62%

NHNPI 60 ^48%

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Substrat t Produit Rdt Substrat t Produit Rdt

1 6h 80% 5 7h 93%

2 18h 74% 6 23h 70%

3 48h 79% 7 24h 15%

4 18h 96% 8 48h 25%

Tableau 1-9. Oxydations aérobies catalysée par le NHTPPI.

Conditions : NHTPPI (1 mol%), CuCl (5 mol%), O₂ (1 atm), CH₃CN, 35°C.

Afin de mieux comprendre la meilleure efficacité du NHTPPI, notre groupe a réalisé des études cinétiques de décomposition des radicaux PINO et tétraphénylphtalimide-N-oxyle (TPPINO) dans les conditions de la réaction. Les constantes de cette cinétique de second ordre sont obtenues par réaction de NHPI ou NHTPPI (0,5 mmol.L^-1 dans l’acétonitrile) avec un équivalent de CAN, à 35°C, par suivi UV-visible :

1 kd = 0,777 L.mol^-1.s^-1 pour le radical PINO, soit une demi-vie de 43 min, 1 k_d = 0,132 L.mol^-1.s^-1 pour le radical TPPINO, soit une demi-vie de 205 min. Il en a été déduit que la meilleure activité catalytique du NHTPPI s’expliquerait par la plus grande stabilité de sa forme active, moins sensible à dégradation, et donc capable d’un plus grand TON. Au regard du mécanisme de formation du trimère de dégradation 43 (Schéma 1-16), il a été supposé que dans le cas du radical TPPINO, les substituants phényles notamment en ortho de la fonction imide apportent une gêne stérique qui limiterait l’ouverture du cycle maléimide et donc la formation du radical acyle et, d’une façon plus générale, empêchent toute attaque nucléophile sur le site carbonyle.