Catalyseur au niobium

Suite à ces résultats non satisfaisants ou peu reproductibles, nous nous sommes tournés vers le niobium, dernier métal de transition réputé, à notre connaissance, pour catalyser des réactions de cycloaddition dans des conditions douces. Nous avons donc utilisé le complexe de niobium(III) NbCl3.DME développé récemment par Obora. Après 2 h, le rendement RMN est de 76% (conversion également de 76%). Avec ce catalyseur aucune dégradation ni du produit de départ ni du produit d’arrivé n’est observée. Malheureusement, le même problème de rendement isolé (28%) a été rencontré.

Schéma 215

Ainsi, en utilisant le niobium, nous avons pu pour la première fois observer des conversions et des rendements (RMN) très appréciables en benzosilacyclobutènes à température ambiante. Nous avons donc réalisé une optimisation des conditions réactionnelles mais également des conditions de purification du benzosilacyclobutène final de façon à augmenter nos rendements isolés.

B Optimisation avec NbCl3.DME

L’analyse des RMN des bruts réactionnels nous a permis de voir que la réaction avec le catalyseur au niobium était plus propre que celle avec le catalyseur de Wilkinson. De plus, la réaction au niobium se déroulant en l’absence de ligands, la purification sur colonne de silice n’est plus nécessaire en cas de conversion totale.

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Notre optimisation repose sur la réaction standard suivante. La charge catalytique en NbCl3.DME est de 20 mol% dans une solution de dichloroéthane distillé, et dégazée par barbotage d’argon à température ambiante. Après 2 h, le milieu réactionnel est dilué dans du pentane, filtré sur silice puis évaporé. Avec cette procédure, on obtient un mélange du benzosilacyclobutène (32% de rendement) en mélange avec du réactif de départ (13% de récupéré).

Schéma 216

De façon à mieux apprécier l’influence de la présence d’eau sur la réaction, du DCE volontairement saturé en eau260 a été utilisée sans qu’aucun autre paramètre ne soit changé. Dans ces conditions la réaction ne conduit pas à la formation de benzosilacyclobutène. La présence d’eau est donc néfaste au bon déroulement du processus catalytique.

Schéma 217

Au contraire, dans des conditions strictement anhydres et en procédant à un dégazage selon la technique freeze-pump-thaw, la réaction se déroule avec une conversion totale et le benzosilacyclobutène est obtenu avec un rendement de 55% directement après filtration sur silice, sans purification supplémentaire.

Schéma 218

Après avoir amélioré les conditions réactionnelles, nous nous sommes intéressés à optimiser les conditions de traitement. La filtration sur alumine neutre, et non plus sur silice, a

260 Le dichloroéthane a été mélangé avec de l’eau, puis le mélange a été laissé à décanter. Le DCE a ensuite été prélevé et utilisé pour la réaction.

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permis d’obtenir le benzosilacyclobutène isolé avec un rendement de 75%. Avec ces conditions, des rendements allant de bons à très bons ont été obtenus de manière parfaitement reproductible avec différents substrats.

Schéma 219

Malgré les bons résultats obtenus, la charge catalytique en niobium restait encore trop élevée, et nous avons cherché à optimiser ce paramètre. Durant cette dernière optimisation, il a été constaté qu’en réalisant la réaction à une concentration plus élevée (0,4 M au lieu de 0,1 M), la charge catalytique pouvait être diminuée. De cette façon, la réaction de cycloaddition donnant accès aux benzosilacyclobutènes peut être réalisée à température ambiante en présence de seulement 5 mol% de NbCl3.DME.

C Champ d’application

Avec cette méthode, des benzosilacyclobutènes porteurs de différents groupements sur le noyau aromatique ont pu être synthétisés. Ainsi, des dérivés substitués avec des groupements alkyle, aryle diversement enrichis en électrons ou triméthylsilyle ont pu être obtenus. L’ensemble de ces résultats représentent une grande avancée par rapport aux méthodes plus classiques dédiées à la synthèse de benzosilacyclobutènes. En effet notre méthode autorise une plus grande variation de groupements fonctionnels et ce sur diverses positions contrairement aux autres méthodes où seules des variations sur l’atome de silicium sont possibles.

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Nos conditions réactionnelles sont également compatibles avec la présence de différents groupements sur l’atome de silicium ces derniers pouvant être des groupements alkyles, encombrés ou non, ou encore des aromatiques. Il est également possible d’accéder à un benzosilacyclobutène dans lequel le silicium porte un méthyle et une chaîne alkyle avec un excellent rendement. Ce dernier résultat se révèle très intéressant pour la suite de notre projet car ce dérivé benzosilacyclobutène s’apparente de très près au type d’intermédiaires formés au cours de notre cascade pour la synthèse du squelette de 10-silastéroïdes.

Schéma 221

Dans la même optique le résultat le plus intéressant est la formation très efficace du benzosilacyclobutène 59 obtenu à partir du silaènetriyne 13. En effet, grâce à l’insaturation présente en bout de chaîne, ce dérivé est exactement un intermédiaire de notre cascade et il est ainsi possible d’imaginer engager ce substrat dans une réaction d’extension de cycle. Toutefois, au cours de notre étude, nous n’avons pas observé d’éventuelle réaction d’extension de cycle de ce dérivé dans nos conditions catalytiques au niobium à température ambiante.

Schéma 222

Ainsi, nous pouvons conclure que le niobium peut être utilisé de manière efficace pour catalyser la première réaction de notre cascade. La seconde étape pourra être réalisée éventuellement avec le niobium si sa réactivité vis-à-vis d’une extension de cycle peut être augmentée par activation thermique ou bien il nous faudra définir un second système catalytique (Schéma 223).

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Schéma 223

Etant donné que le niobium semble inefficace pour catalyser la réaction d’extension de cycle du benzosilacyclobutène en présence de double liaison, nous avons voulu essayer la réaction en remplaçant la double liaison par une triple liaison plus réactive. La réaction de cycloaddition [2+2+2] du silatétrayne 8 a été réalisée. Malheureusement, et étonnamment, celle-ci ne donne lieu à aucune conversion à température ambiante. La réaction a ensuite été réalisée sous activation thermique, et dans ces conditions, la réaction conduit à un mélange complexe de produits, dans lequel est détecté le motif cyclopentène. Toutefois il est impossible d’identifier le(s) produit(s) cyclique(s) en question (Schéma 224). La présence de cette triple liaison supplémentaire semble donc poser problèmes : la réaction de cycloaddition est totalement inhibée à température ambiante et apparait comme incontrôlable à plus haute température.

Schéma 224

Ce dernier résultat que nous ne pouvons pas rationnaliser pour l’instant et qui apparait très inattendu nous conforte toutefois dans l’idée que la seconde étape d’extension de cycle ne pourra très certainement pas être catalysée au niobium, ceci même en jouant sur la réactivité de l’insaturation. De plus dans ce cas, nous n’avons pas pu isoler le benzosilacyclobutène correspondant nécessaire à notre seconde étude, et qui nous permettrait également de mieux comprendre le rôle de cette triple liaison. Une synthèse alternative de ce substrat sera envisagée plus tard.

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3 Conclusions

Au cours de travaux précédents au sein de l’équipe, la cycloaddition [2+2+2] de silatriynes a été réalisée à l’aide du catalyseur de cobalt CpCo(CO)2. L’utilisation de ce catalyseur, l’un des plus utilisés pour ce type de réaction, avait bien conduit au benzosilacyclobutène désiré. Mais les conditions de la réaction, activation thermique et par irradiation du catalyseur, avaient également conduit à l’addition oxydante du métal dans le silacycle tendu formé in situ puis à l’extension de cycle intermoléculaire. Ces résultats nous ont donc incités à écarter les systèmes catalytiques au cobalt pour notre étude.

Le défi consistait donc à réaliser la cycloaddition dans des conditions douces, c'est-à-dire sans irradiation et surtout à température ambiante. Pour cela différents catalyseurs susceptibles d’être de bons candidats ont été testés pour réaliser cette réaction de cycloaddition [2+2+2] à température ambiante.

Deux complexes sont ressortis de cette étude : le catalyseur de Wilkinson bien connu dans le domaine de la cycloaddition [2+2+2] et le complexe de niobium NbCl3.DME, beaucoup moins connu. Ce dernier ayant montré un meilleur potentiel, la réaction a été optimisée avec NbCl3.DME.

Dans les conditions optimales (5 mol% de NbCl3.DME, DCE 0,4M, 2 h, température ambiante) divers benzosilacyclobutènes ont été obtenus avec des rendements allant de bons à excellents. Cette nouvelle voie de synthèse permet d’accéder à des benzosilacyclobutènes possédant différents substituants sur le noyau aromatique, variation encore jamais décrite dans la littérature. Les groupements sur le silicium peuvent également être modulés. Ainsi, cette réaction catalysée au niobium représente la première méthode générale pour la synthèse de benzosilacyclobutènes substitués par cycloaddition [2+2+2].

De plus, un benzosilacyclobutène possédant une double liaison en bout de chaîne a pu être préparé grâce à cette nouvelle méthode. Ce substrat a ainsi la possibilité de réaliser l’extension de benzosilacyclobutène que l’on cherche à développer. La première étape de notre cascade a donc été mise au point avec succès. A ce stade, ce benzosilacyclobutène pourra nous servir de modèle pour le développement de la seconde étape de notre cascade, soit l’extension de cycle. Une cascade totalement catalysée au niobium représenterait le meilleur des cas mais les quelques résultats déjà observés laissent penser que d’autres métaux devront être testés. De même, la présence d’une triple liaison supplémentaire (silatétrayne

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modèle) semble incompatible avec la formation de benzosilacyclobutènes pour des raisons encore inexpliquées. Pourtant, l’étude de ce type de dérivé benzosilacyclobutène porteur d’une triple liaison apparait essentiel pour le développement de la réaction d’extension de cycle. Ainsi, nous nous sommes penchés sur la mise au point d’une méthode de synthèse alternative.

Finalement, grâce à ces deux précurseurs, nous pourrons étudier la réaction d’extension de benzosilacyclobutènes pour à l’avenir pouvoir accéder de manière élégante et rapide au squelette des 10-silastéroïdes.

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