Couplage C-C

1.3.4.1 Couplage de Heck

La réaction de Heck représente une méthodologie de synthèse très utilisée pour la production d’intermédiaires pharmaceutiques, de produits de chimie fine et dans la chimie des

polymères.88,89,90 Le couplage entre les halogénures d’aryles et des oléfines catalysé par des

complexes de palladium comportant des ligands phosphines a fait l’objet de nombreuses études (Schéma 1.13). Cependant, depuis ces dernières décennies, les catalyseurs colloïdaux sont également reportés dans la littérature.

R' R + X Base Pd R R' X = Cl, Br, I, OTs...

Schéma 1.13 Réaction de couplage C-C de Heck catalysée par des espèces de palladium.

Le groupe de Herrmann est l’un des premiers à décrire l’utilisation de particules de

palladium comme catalyseurs pour cette réaction de couplage.91 Les colloïdes sont préparés

selon la méthodologie de Bönnemann en présence de sels de bromure de tétra-n-

octylammonium.62 Les couplages de Heck effectués entre différents bromoarènes substitués

par des groupements électro-attracteurs (CHO, MeCO) et le styrène ou l’acrylate de butyle indiquent des conversions en substrat supérieure à 90% à 140 °C. Ces activités sont supérieures à celles observées dans le cas des systèmes moléculaires classiques.

Simultanément, Reetz et al. démontrent que des suspensions colloïdales de Pd stabilisées par le carbonate de propylène et synthétisées par voie électrochimique ou par

thermolyse sont actives dans la réaction de Heck.92 En effet, de bonnes conversions entre le

styrène et les bromoarènes substitués par des groupements électro-attracteurs sont obtenues à 140-160 °C. Cependant, les catalyseurs sont inefficaces dans l’activation de la liaison C-Cl.

D’autre part, les particules de Pd dispersées dans des micelles de co-polymère à blocs, le polystyrène-b-polyvinylpyridine, présentent également une importante réactivité dans le

couplage de Heck.93 Ces catalyseurs possèdent de nombreux avantages tels que leur forte

stabilité aux conditions réactionnelles et la facilité de les dissoudre dans les solvants organiques. Les auteurs démontrent que la vitesse de la réaction de couplage dépend de la taille des micelles et de la dispersité des particules au sein de ces micelles. En effet, plus la micelle est entourée par de longues chaînes polymériques, plus l’encombrement stérique à la périphérie de ces larges micelles empêche l’entrée du substrat vers le cœur métallique. Les particules possèdent de meilleures activités dans la réaction de couplage entre le p-

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bromoacétophénone et le styrène que le palladium sur charbon et les complexes moléculaires

générés in situ à partir du Pd(OAc)2.

Le groupe de Bradley a étudié l’influence de la taille des particules de Pd stabilisées par le PVP sur leurs réactivités dans la réaction de couplage entre le p-bromobenzaldéhyde et

l’acrylate de butyle.94 Les résultats indiquent que la vitesse initiale de la réaction dépend de la

taille des colloïdes mais est indépendante du nombre d’atomes de Pd situés sur les sommets et les arêtes de la surface métallique. Ces sites de faible coordinance comportant le moins de liaisons métal-métal sont ainsi les sites catalytiques actifs dans la réaction de Heck. Le caractère hétérogène du catalyseur est alors mis en évidence. Aussi, une meilleure conversion en p-bromobenzaldéhyde est reportée dans le cas du système catalysé par les particules

stabilisées par le PVP par rapport aux systèmes générés in situ à partir du [Pd(dba)2] seul ou

en présence du polymère. La PVP semble donc être efficace pour la stabilité des particules.

Par ailleurs, Crooks et al. ont utilisé des nanoparticules de Pd encapsulées dans des dendrimères de PPI dans la réaction de Heck. Ces « nanoréacteurs » à fonction amine terminale sont fonctionnalisés par des polyéthers perfluorés afin de garantir une meilleure

stabilité du catalyseur à haute température.95 Les couplages entre les halogénures d’aryles

(iodo ou bromobenzène) et l’acrylate de butyle sont réalisés en milieu biphasique, solvant organique/solvant fluoré, afin de récupérer et de réutiliser le catalyseur. Le trans- formylcinnamate de n-butyle, produit de couplage croisé, est obtenu avec une sélectivité de 100%. Une telle régio-sélectivité n’avait précédemment pas été reportée. Les auteurs suggèrent que l’environnement interne des dendrimères, stériquement encombré, peut avoir une influence sur la sélectivité des produits réactionnels. De plus, il est démontré que le rendement en produit de couplage diminue lorsque le p-nitrobromobenzène et le p- nitroiodobenzène sont les substrats de la réaction. Des forces répulsives peuvent se créer entre

les groupements NO2 riches en électrons et les groupements fluorés des chaînes polymériques

et diminuer ainsi l’entrée du substrat à l’intérieur des dendrimères. Ces systèmes semblent donc être une voie vers la catalyse sélective. Cependant, après chaque récupération du catalyseur, une diminution de l’activité des particules est observée.

La réaction de Heck, comme la majorité des réactions de couplage C-C, est sensible à la structure du catalyseur, caractéristique fondamentale en catalyse hétérogène.

1.3.4.2 Couplage croisé de Suzuki

Au cours de ces dernières décennies, la réaction de couplage croisé de Miyaura-Suzuki a été l’une des plus importantes méthodologies de formation de liaison C-C catalysée par des

métaux de transition.96 Ce couplage réalisé principalement entre des aryles d’acides

boroniques et des halogénures d’aryles sont à l’origine des unités biaryles présentes dans de

nombreux composés tels que les produits naturels,97 les polymères,98 les molécules d’intérêt

médical,99 pharmaceutique ou agrochimique100 (Schéma 1.14).

X + B(OH)2

Base Pd

R R' _{R R'}

Schéma 1.14 Réaction de couplage C-C de Suzuki catalysée par des espèces de palladium.

L’un des premiers travaux concernant l’utilisation de nanoparticules dans la réaction

de couplage C-C de Suzuki est reporté par le groupe de Reetz.101 Des suspensions colloïdales

monométalliques de Pd, et bimétalliques de Pd/Ni stabilisées par des surfactants ioniques, de type bromure de tétraalkylammonium, sont préparées par une méthode électrochimique. Ces

mêmes systèmes avaient été utilisés dans la réaction de couplage de Heck.92 Les catalyseurs

montrent de très bonnes activités dans le couplage croisé entre les bromures d’aryles et l’acide phényl-boronique. De plus, la vitesse de la réaction est augmentée dans le cas des nanoclusters bimétalliques.

Par la suite, ces auteurs effectuent des études mécanistiques par MET, spectroscopies

RMN 13C et UV/vis. qui mettent en évidence la participation des particules de Pd dans les

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présence de particules, de diamètre moyen compris entre 1.3 et 1.6 nm, après une période d’induction lors du couplage entre le bromobenzène et le styrène d’une part et l’acide phényl- boronique et le p-bromoacétophénone d’autre part.

Par ailleurs, El Sayed et al. ont étudié différents paramètres tels que la nature des agents stabilisants et la taille des nanoparticules de Pd sur la réactivité des catalyseurs en

réaction de couplage croisé de Suzuki.103,104 Les colloïdes sont obtenus par réduction de sels

métalliques en présence de trois stabilisants, le dendrimère PAMAM, le co-polymère à blocs polystyrène-b-poly(acrylate de sodium) et le polymère PVP. La stabilité et l’activité de ces catalyseurs ont été testées dans la réaction de couplage en milieu aqueux entre l’acide phényl-

boronique (et l’acide 2-thiophèneboronique) et l’iodobenzène.103 La stabilité des particules

dépend de l’agent stabilisant, du réactif et de la base utilisés dans la réaction catalytique. Ces systèmes colloïdaux, à l’exception des particules stabilisées par les dendrimères de quatrième génération, présentent de bonnes activités.

Aussi, des suspensions colloïdales de Pd stabilisées par le PVP, présentant différentes tailles (entre 3.0 et 6.6 nm de diamètre moyen), ont été utilisées afin de déterminer l’influence de la

taille des particules sur leur activité dans le couplage croisé C-C.104 Les expériences montrent

que l’activité catalytique diminue lorsque la taille des clusters augmente. Cette tendance générale révèle que les atomes de la surface métallique ne possèdent pas la même réactivité. Ainsi, les atomes de la surface possédant un nombre de coordination le plus faible, à savoir ceux des arêtes et des sommets, sont les sites actifs pour la réaction de Suzuki. Cependant, une faible activité de couplage entre l’acide phényl-boronique et l’iodobenzène est obtenue dans le cas des clusters de 3.0 nm. Dans ce cas, les auteurs expliquent que les intermédiaires réactionnels s’adsorbent fortement à la surface des particules et agissent comme des poisons entrainant ainsi une diminution de la vitesse de la réaction.

D’autre part, dans l’objectif de récupérer le catalyseur et d’éviter l’utilisation des solvants organiques toxiques, le groupe de Montingelli utilise des particules de Pd dispersées

en milieu liquide ionique et obtenues à partir du Pd(OAc)2 en présence d’acétate de

tétrabutylammonium.105 Le produit de couplage entre le bromobenzène et l’acide phényl-

boronique, en milieu biphasique eau/liquide ionique, est isolé avec un rendement de 95%. Un allongement de la chaîne latérale du liquide ionique (bromure de tétra-n-heptylammonium),

permettant de contrôler la croissance des particules et d’éviter leur agglomération, augmente l’activité du catalyseur. De ce fait, l’activation du chlorobenzène devient possible et la p- chloroacétophénone est totalement converti à 60 °C. Les nanoparticules sont facilement récupérées de la phase liquide ionique et réutilisées jusqu’à trois fois dans la réaction de couplage C-C sans aucune perte de leur activité.

1.4 Catalyseurs homogènes/hétérogènes: Identification