Calculs théoriques par DFT

Nous nous sommes intéressés aux conformations possibles du ligand SimplePhos L1c et plus particulièrement à son lʼhélicité. Les calculs théoriques, utilisant la méthode de DFT (Density Functional Theory), ont été réalisés par le Dr. Jiri Mareda. Ainsi, il se dégage de cette étude que plusieurs niveaux dʼénergies sont observés, correspondant à différentes conformations. Les géométries optimisées ainsi que les énergies relatives et les types dʼhélicité sont présentés dans la Figure 21.

1 2

E_relat= 0 kcal/mol E_relat= +1.5 kcal/mol hélice M hélice M

3 (RX de L1c-BH3) 4

E_relat= +4 kcal/mol E_relat= +6.9 kcal/mol hélice M partielle

5

E_relat= +0.7 kcal/mol hélice P

Figure 21. Structures optimisées des différents conformères du ligand SimplePhos libre L1c et protégé L1c-BH3

 Conformère 1 :

Le minimum global d'énergie potentielle du ligand SimplePhos L1c correspond à la conformation 1, où lʼhélicité M est définie par les trois groupements aryles: les deux autour de lʼatome de phosphore et le troisième sur lʼamine chirale. Si l'on définit lʼaxe pseudo-C3

comme l'axe de rotation de l'hélice formée par les trois aryles : les deux joints au phosphore

P-Ph1

P-Ph1 N-Ph1

N-Ph2

P-Ph2

Chapitre 2 : En route vers une nouvelle famille de ligands

(marqués respectivement P-Ph1 et P-Ph2) sont orientés à environ 80° par rapport à cet axe.

Le troisième aryle (noté N-Ph2) est incliné de seulement 20°. La participation de ce dernier dans lʼarrangement hélicoïdal perturbe partiellement l'interaction entre les deux phényles N-Ph1 et N-Ph2 . L'orientation du phényle N-N-Ph1 est organisée de telle sorte quʼune coplanarité relative, presque parfaite, existe par rapport au phényle P-Ph1. Toutefois, aucune interaction π-π ne peut avoir lieu entre les deux entités.

 Conformère 2 :

Le second minimum dʼénergie, correspondant au conformère 2, nʼest que légèrement déstabilisé de 1.5 kcal/mol par rapport au minimum global. Dans de nombreux aspects de la géométrie, les paramètres sont similaires au conformère 1, mais avec une différence notable: N-Ph2 est dans un plan incliné d'environ 30° par rapport à lʼaxe de rotation pseudo-C3, ce qui est assez proche de l'angle entre P-Ph1 et P-Ph2 (∼ 45°). Comme pour la conformation 1, lʼhélicité est de type M et elle est formée par les 2 phényles du phosphore P-Ph1 et P-Ph2 et celui de lʼamine chirale (N-Ph2). Contrairement à la conformation 1 et en raison de l'orientation spécifique du groupement N-Ph2, cette conformation 2 présente une surface π plus étendue sur une face de la molécule, qui peut être approchée par un réactif métallique (comme le cuivre).

 Conformère 3 :

Lʼétude conformationnelle a également été étudiée sur la structure obtenue par spectroscopie des rayons X du ligand L1c-BH3. Toutefois, la structure calculée 3 ne contient pas le bore. Ce choix est délibéré, car nous voulons être en mesure de comparer les énergies relatives calculées par cette méthode, ce qui ne peut être effectuée quʼen l'absence de bore. Le minimum local 3 a été obtenu par comparaison à la structure de rayons X de L1c-BH3. En comparant les angles diédraux de la structure RX et du conformère calculé 3 (sans bore), les mêmes caractéristiques structurelles sont observables, et notamment au niveau de l'agencement des aryles dans l'espace. Il n'y a pas dʼinteraction π-π entre les deux aryles N-Ph1 et N-Ph2. En fait, dans cette conformation les trois phényles: N-Ph1, N-Ph2, et P-Ph1 adoptent un arrangement coplanaire. En conséquence, le groupement N-Ph2 ne peut pas prendre part à l'hélice et nous sommes en présence dʼune configuration hélicoïdale partielle. Les deux phényles autour de lʼatome de phosphore représentent les deux pales de cette hélice M partielle. Il serait tentant dʼattribuer la déstabilisation de 4 kcal/mol de la structure 3, par rapport au minimum global 1, au fait que lʼarrangement hélicoïdal ne soit pas

optimal. Mais, il existe dʼautres facteurs qui expliquent cette énergie plus élevée, comme lʼinteraction dʼun des deux groupements méthyles de lʼamine avec les 3 aromatiques (N-Ph2, P-Ph1 et P-Ph2), qui nʼest pas observée dans le cas du conformère 1.

 Conformère 4 :

Il apparaît que les conformères ne présentant pas un arrangement hélicoïdal optimal (comme dans 1 ou 2) montrent des énergies plus importantes. C'est effectivement le cas non seulement de 3, mais également du conformère 4 (+ 6.9 kcal/mol) qui est le moins stable de la série. Cette conformation est la seule de cette série où l'arrangement hélicoïdal des deux phényles autour de lʼatome de phosphore est perturbé : le groupement P-Ph1 est perpendiculaire à lʼaxe pseudo-C3 et lʼaromatique N-Ph1 est coplanaire à l'un des aryles sur le phosphore. Pour cette structure, aucune hélicité ne peut être assignée.

 Conformère 5 :

En vue de comparaisons, le conformère 5, présentant une structure hélicoïdale P, a été également calculé par la méthode de DFT. Les trois aryles contribuent à lʼhélicité P de ce conformère. La différence dʼénergie entre les structures possédant une hélice M et celle possédant une hélice P est de 0.7 kcal/mol seulement, ce qui représente un rapport K de :

ΔE = -RT ln(K) K = e^(-ΔE/RT)

K = 3.26 à T = + 25 °C (298K) K = 6.85 à T = - 90 °C (183K)

A température ambiante, on aurait donc un rapport de 77 :23 en faveur du (M,S,S). A - 90°C, ce rapport devient 87 :13. Ces calculs supposent un équilibre thermodynamique parfait entre les deux rotamères. Notons que cette faible préférence thermodynamique doit être interprétée avec précaution car, il faut considérer une certaine marge dʼerreur. Si lʼon compare ces résultats avec ceux obtenus expérimentalement avec le ligand L22-BH3, un rapport de 80 :20 avait été obtservé à -90°C, ce qui est assez proche de la valeur théorique.

Des calculs de DFT avaient également été menés dans le cas des ligands phosphoramidites, possédant une partie biphénol flexible. Une différence de 1.17 kcal/mol avait été déterminée entre les deux formes M et P du biphényle. A température ambiante, n un rapport de 88:12 en faveur du (M,S,S) avait été calculé. A - 30°C, ce rapport était de 92:8.

(Figure 22).

Chapitre 2 : En route vers une nouvelle famille de ligands

0.7 kcal/mol

1.17 kcal/mol O

P O

N Ph

Ph P N

SimplePhos

Phosphoramidite BIPOL

15 kcal/mol

?

(M, S, S)

(P, S, S)

(M, S, S)

(P, S, S)

Figure 22. Comparaison des énergies entre SimplePhos et Phosphoramidite

Il est important de noter que plusieurs autres conformères ont été optimisés (non présentés). Toutefois, ces structures convergent finalement vers le minimum global 1 ou à la structure 2, qui sont les conformations les plus stables. En conséquence, il semble quʼune hélicité de type M soit préférentiellement adoptée par le ligand Simplephos L1c.