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Développement  de  nouveaux  systèmes  propagateurs  sans  étain

le  fer  en  présence  d’hydrures

I) Avantages  et  limitations  de  l’utilisation  d’hydures  d’étain  en  chimie  radicalaire;   alternatives

I.2)   Développement  de  nouveaux  systèmes  propagateurs  sans  étain

I.2.a)  Utilisation  d’hétéroatomes  des  groupes  principaux  comme  donneurs  d’hydrogène

  I.2.a.1)  Composés  du  silicium  et  du  germanium  (éléments  du  groupe  XIV)

D’importants   travaux   en   chimie   radicalaire   sans   étain   ont   été   publiés   par   le   groupe   de   Chatgilialoglu   et  concernent  l’utilisation   de  propagateurs  porteurs  d’une  liaison   Si-­‐H.   Un  de  ces   propagateurs,  le  tris(triméthylsilyl)silane  (TTMSS)  présente,  avec  une  énergie  de  dissociation  de   la  liaison  Si-­‐H  égale  à  84  kcal.mol-­‐1,  une  réactivité  similaire  à  Bu3SnH.227  

R-­X kabs  (Bu3Sn)  /  M-­1s-­1 kabs  ((Me3Si)3Si)  /  M-­1s-­1

Ph-­‐CH2Br 1,5.109 9,6.108

tBu-­‐Br 1,4-­‐1,7.108 1,2.108

Ph-­‐CH2Cl 1,1.106 4,6.106

Tableau  5.8.a:  constantes  de  vitesse  comparées  pour  la  réaction  d’arrachement  d’halogène  par  les   radicaux  Bu3Sn  et  (Me3Si)3Si

R-­X kréd  (Bu3SnH)  /  M-­1s-­1 kréd  ((Me3Si)3SiH)  /  M-­1s-­1

R-­‐CH2 2,3.106 3,8.105

RR’C 1,9.106 2,6.105

tBuO 2,2.108 1,1.108

Tableau  5.8.b:  constantes  de  vitesse  comparées  pour  la  réaction  de  réduction  de  radicaux  carbonés   par  les  espèces  Bu3SnH  et  (Me3Si)3SiH.227

L’utilisation   du   TTMSS   connaît   donc   une   importante   expansion   en   chimie   radicalaire   et   son   application   a   un   spectre   large.   C’est   par   exemple   un   excellent   propagateur   utilisé   dans   les   réactions  de  type  Giese:228

I + COOMe TTMSS 1,2 équiv. AIBN 10 mol% toluène, 70-90°C COOMe 85%

Schéma  5.9:  réaction  de  Giese  propagée  par  le  TTMSS

L’inconvénient   principal   de   ce   réactif   est   son   coût   (env.   100   €   pour   5   g);   le   groupe   de   Chatgilialoglu   a   mis   au   point   une   version   catalytique   de   cette   méthodologie   utilisant   NaBH4  

comme   source   d’hydrogène,   mais  ce   type   de   méthode   est  évidemment   limité   par  le   domaine   d’utilisation  du  borohydrure  de  sodium.229  

On   peut   également   citer   l’utilisation   d’organogermanes   comme   propagateurs   radicalaires:   la   liaison   Ge-­‐H  possédant  une   énergie   de   dissociation   d’environ   80   kcal.mol-­‐1  dans  de   nombreux   trialkyl-­‐  et  triarylgermanes  (Et3GeH,   Ph3GeH,   Bu3GeH,230   ...),  les  organogermanes  sont  donc   de   bons  précurseurs  de  radicaux  qui  sont,  pour  les  réactions  de  transfert  d’hydrogène  par  exemple,   très  légèrement  moins  réactifs  que  les  organostannanes.231

Néanmoins,   la   trop   grande   réactivité   des   radicaux   trialkylgermanes   eux-­‐mêmes   (Bu3Ge   par   exemple)   limite   le  spectre  d’application  de   ces  médiateurs.   Ces  radicaux   tendent  en   effet  entre   PARTIE III - CHAPITRE V

228  Giese,  B.;  Kopping,  B.;  Chatgilialoglu,  C.  Tet.  Lett.  1999,  30,  681

229  Lesage,  M.;  Chatgilialoglu,  C.;  Griller,  D.  Tet.  Lett.  1989,  30,  2733

230   Pour   une   réaction   de   Giese   utilisant   le   tributylgermane   comme   propagateur,   voir   notamment   Pike,   P.;   Hershberger,  J.  Tet.  Lett.  1998,  44,  6295.  

autres  à  s’additionner  rapidement  sur  les  olé]ines  non-­‐activées  et  sont  donc  incompatibles  avec   nombre  de  substrats  insaturés.232  

Des  organogermanes  plus  complexes  ont  donc  été  développés  ces  dernières  années  pour  pallier   ce  problème:233   I O O GeH 3 V-70, H2O, 80°C O 75%

Schéma  5.10:  exemple  de  cyclisation  radicalaire  dans  l’eau  propagée  par  un  triarylgermane.  

  I.2.a.2)  Utilisation  d’autres  médiateurs

De   nombreuses   autres   familles   de   molécules   ont   été   développées   comme   systèmes   propagateurs.   Les  thiols   sont  par  exemple   eux   aussi   de   bons   donneurs   d’hydrogène   dans   des   processus  radicalaires.

De   même,  suite  aux  travaux   de  Barton  au   début  des  années  1990,   on  peut  citer  les  précurseurs   phosphorés   possédant   une   liaison   P-­‐H   relativement   faible,   comme   c’est   le   cas   pour   les   dialkylphosphites  ou  encore  les  sels  de  l’acide  hypophosphoreux  (schéma  5.11.a).  

P O Et Et H DEPO H3PO2 acide hypophosphoreux P O OR OR H dialkylphosphite a) b) I Me N O Cy DEPO 20 équiv. V-501 3 équiv. H2O, 80°C I Me N O N CN COOH CN HOOC N V-501 = 97%

Schéma  5.11:  divers  médiateurs  phosphorés  

Un   des   avantages   de   certains   composés   phosphorés   comme   le   DEPO   (oxyde   de   diéthylphosphine)   est   leur   solubilité   en   phase   aqueuse,   qui   permet,   via   l’utilisation   d’un   amorceur   lui   aussi   hydrosoluble,   de   réaliser   des   réactions   radicalaires   dans   l’eau   (schéma   5.11.b234).  L’inconvénient  est  que,  dans  de  nombreux  cas,  un  large  excès  (jusqu’à  20  équivalents)   de  composé  phosphoré  est  nécessaire.  

A  titre  d’exemple  relativement  récent,  on  peut  en]in  citer  les  boranes  qui,  complexés  à  des  bases   de   Lewis   telles   que   les   phosphines235   ou   les   carbènes   N-­‐hétérocycliques,236   génèrent   des   radicaux  boryle  ayant  une  réactivité  très  chimiosélective.237

I.2.b)  Développement  de  nouveaux  systèmes  métal-­hydrure  238

Ce   type   de   système   a   réellement   vu   le   jour   avec   les   travaux   de   Giese   concernant   l’utilisation   d’hydrures  mercuriques  générés  in  situ  comme  précurseurs  de  radicaux.239  Toutefois,  la  toxicité   inhérente  à  ce  métal  a  très  vite  limité  son  utilisation.

D’autres  systèmes  propagateurs  ont  alors  été   découverts  peu   à  peu.   Ces  systèmes  impliquant  à   leurs   débuts   l’utilisation   d’hydrures   de   métaux   de   transition   comme   précurseurs,   la   source   métallique  se  devait  d’être  utilisée  en  quantité  stœchiométrique.  

On   peut   citer   à   ce   titre   les   travaux   d’Oshima   qui,   en   2001,   reporte   une   méthodologie   de   cyclisation   impliquant   le   complexe   de   Schwartz   [Cp2ZrIV(H)Cl]   (associé   au   triéthylborane)   comme  médiateur  radicalaire:240  

O Br O Cp2Zr(H)Cl 3 équiv. Et3B 1 équiv. THF, RT O O 89%

Schéma  5.12:  utilisation  du  complexe  de  Schwartz  comme  médiateur  radicalaire

Une   version   catalytique   de   cette   réaction   a   été   également  publiée   par   Oshima   dans  le   même   article:   elle   consiste   en   une   génération   catalytique   de   l’hydrure   [Cp2ZrIV(H)Cl]   utilisant   une   quantité  stœchiométrique  de  Red-­‐Al  comme  source  d’hydrure  (schéma  5.13):241  

Cp2ZrCl2 0,2 équiv. Red-Al 1,5 équiv. Et3B 1 équiv. THF 83% I N N

Schéma  5.13:  version  catalytique  de  l’activation  radicalaire  d’iodoarènes  par  le  complexe  de   Schwartz

PARTIE III - CHAPITRE V

235  Baban,  J.A.;  Roberts,  B.P.  J.  Chem.  Soc.  Perkin.  Trans.  2,  1988,  1195

236  voir  entre  autres:  Ueng,  S.-­‐H.;  Makhlouf  Brahmi,  M.;  Derat,  E.;  Fensterbank,  L.;  Lacote,  E.;  Malacria,  M.;  Curran,   D.P.  J.  Am.  Chem.  Soc.  2008,  130,  10082;  Solovyev,  A.;  Yuen,  S.-­‐H.;  Monot,  J.;  Fensterbank,  L.;  Malacria,  M.;  Lacote,   E.;  Curran,  D.P.  Org.  Lett.  2010,  12,  2998

237  Lindsay,  D.M.;  McArthur,  D.  Chem.  Comm.  2010,  46,  2474

238  Revue:  voir  Gansäuer,  A.;  Blum,  H.  Chem.  Rev.  2000,  100,  2778

239  Giese,  B.  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  1985,  24,  553

240  Fujita,  K.;  Nakamura,  T.;  Yorimitsu,  H.;  Oshima,  K.  J.  Am.  Chem.  Soc.  2001,  123,  3137

241  Cette  réaction  est  également  applicable  aux  substrats  bromés  aliphatiques  (tels  que  le  bromoacétal  du  schéma   5.12);  toutefois,  un  bon  rendement  de  cyclisation  réductrice  sur  ce  type  de  substrats  nécessite  une  élévation  de  la   température  (chauffage  au  re]lux),  alors  que  la  version  stœchiométrique  est  effectuée  à  température  ambiante.  

Divers  systèmes  gallium-­‐hydrure  et  indium-­‐hydrure  ont  également  été  développés,  d’abord  pour   des   activations   stœchiométriques,   puis   pour   des   activations   catalytiques.   Le   principe   de   génération  catalytique   de   l’espèce   active   est  le   même   que  précédemment  et  utilise   une   source   stœchiométrique  d’ions  hydrure  (NaBH4  ou  Red-­‐Al  le  plus  souvent).    

Les  systèmes  gallium-­‐hydrure  sont  par  exemple  très  ef]icaces  pour  les  réactions  de  réduction  de   liaisons  Csp3-­‐I  ou  Csp3-­‐Br  ainsi  que   pour  les  réactions  de  déoxygénation  de   type  Barton242  (via  la   formation   d’un   xanthate   de   soufre   intermédiaire).   On   reporte   également   divers   exemples   de   cyclisations  radicalaires  catalysées  par  des  hydrures  de  gallium  générés  catalytiquement:242

O I O GaCl3 20 mol% Red-Al 150 mol% Et3B 20 mol% THF, 0°C O O 79%

Schéma  5.14:  cyclisation  radicalaire  catalysée  par  un  dérivé  du  gallium

Les   systèmes   indium-­‐hydrure   sont,   quant   à   eux,   d’une   grande   ef]icacité   dans   les   réactions   d’activation  radicalaires  de  liaisons  Csp2-­‐I,  utilisant  notamment  des  iodures  aromatiques  comme   substrats.   Diverses  réactions   de   Giese   (schéma   5.15.a)   ou   de   cyclisations  radicalaires  (schéma   5.15.b)  ont  été   reportées  au  cours  de  cette  décennie,  notamment  par  le  groupe   de  Baba  dont  les   travaux   tendent   par   ailleurs   à   prouver   le   rôle   de   l’hydrure   [HInIIICl2]   comme   médiateur   radicalaire.243   I + COOEt 5 équiv. InCl3 0,1 équiv. NaBH4 1,2 équiv. MeCN, RT, 5h COOEt 57% a) b) Br Ph O InCl3 0,1 équiv. NaBH4 1,2 équiv. MeCN, RT, 2h Ph O 85% cis:trans = 15:85 Schéma  5.15:  a)  réaction  de  Giese  et  b)  cyclisation  radicalaire,  catalysées  par  un  dérivé  d’indium

D’autres  métaux  de  transition  ont  été  utilisés  sous  forme  d’hydrure  a]in  de  fournir  des  systèmes   propagateurs:  on  peut  citer  l’utilisation  d’hydrures  de  chrome,244  d’hydrures  de  cobalt,245  ou  plus   anecdotiquement  dans  les  procédés  en  chaîne,  de  titane.246

L’utilisation   de   précurseurs   métalliques   peut  aller   de   pair   avec   deux   contraintes   majeures:   le   coût   du   complexe   utilisé,   ou,   plus   problématiquement,   les   problèmes   de   toxicité   inhérents   à   certains  métaux.  A  ce  titre,  le  développement  de  systèmes  propagateurs  à  base  de  fer,  abondant   et  peu  toxique,  est  un  dé]i  incontournable.      

I.2.c)  Utilisation  du  fer  en  chimie  radicalaire

  I.2.c.1)  Utilisation  du  fer  en  catalyse  oxydante

L’activité  du  fer  (II)  ou  du  fer  (III)  en  catalyse  oxydante  est  connue  depuis  depuis  les  travaux   de   Fenton   sur  la   décomposition   radicalaire   de   l’eau   oxygénée  catalysée   par  des   sels  de   fer  (II).247   Les   avancées   de   la   biochimie   ont   permis   de   mettre   en   évidence   le   rôle   oxydatif   de   métalloenzymes   contenant   des   noyaux   fer   (II)248   notamment   dans   le   transport   d’oxygène   et   l’activation  C-­‐H,  et  ont  inspiré  bon  nombre  de  chimistes  organiciens.  

On  peut  par  exemple   citer  les  travaux  de  White,   qui  a   développé  divers  systèmes  catalytiques  à   base  de  fer  (II)  permettant  l’oxydation  sélective  de  liaisons  C-­‐H  en  alcools:249

OPiv

[FeII] 5 mol%, H2O2 1,2 équiv.

AcOH, MeCN, RT OPiv OH [FeII] = Fe N N NCMe N NCMe N (SbF6)2

Schéma  5.16:  activation  C-­H  en  catalyse  oxydante  par  Chen  et  White

PARTIE III - CHAPITRE V

244  Smith,  D.M.;  Pulling,  M.E.;  Norton,  J.R.  J.  Am.  Chem.  Soc.  2007,  129,  770

245  Gaspar,  B.;  Carreira,  E.M.  Angew.  Chem.  Int.  Ed.  2008,  47,  5758

246   Liu,   Y.;   Schwartz,   J.   Tetrahedron   1995,   51,   4471;   pour   un   exemple   de   réduction   catalytique   spéci]ique   d’iodoarènes  catalysée  par  un  système  titane-­‐hydrure,  voir  Meunier,  B.  J.  Organomet.  Chem.  1981,  204,  345.  Il  est   à  noter  qu’un  important  pan  de  la  chimie  radicalaire  des  procédés  non-­‐chain  (non  détaillés  ici)  est  focalisé  sur  la   génération   de   radicaux   via   l’ouverture   d’époxydes   par   les   titanocènes:   ce   type   de   système   est   à   la   fois   extrêmement   chimiosélectif   et   permet   la   mise   au   point   de   cascades   radicalaires   très   régiospéci]iques   (éventuellement  en  série  asymétrique),  voir  par  exemple  Gansäuer,  A.  et  al.  Chem.  Eur.  J.  2003,  9,  531.

247  Fenton,  H.J.H.  J.  Chem.  Soc.,  1894,  65,  899

248  voir  Lippard,  S.J.;  Berg,  J.M.  Principles  of  Bioinorganic  Chemistry,  University  Science  Books  éds.,  1994,  ainsi  que   les  références  qui  y  sont  citées.

249  Chen,  M.S.;  White,  M.C.  Science,  2007,  318,  783;  voir  également  Chen,  M.S.;  Prabagaran,  N.;  Narayanasmy,   L.;   Nathan,  A.;  White,  M.C.  J.  Am.  Chem.  Soc.  2005,  127,  6970

Un  exemple   de   couplage  Csp3-­‐Csp3  en   conditions  oxydantes  entre   un  alcool  et  un  alcène  catalysé   par  le   fer  (III)  a  également  été   reporté.  Un  mécanisme  radicalaire   faisant  intervenir  un  hydrure   de  fer  (IV)  est  alors  proposé.250  

On   peut   en   outre   citer   deux   protocoles   de   cyclisations   radicalaires   «non-­‐chain»   en   milieu   oxydant   initiées   par   une   source   stœchiométrique   de   fer   (III)   sur   des   1,6-­‐diènes   ou   des   1,6-­‐ énynes,  qui  ont  été  reportés  récemment  par  Ishibashi.  

Ces  méthodologies  donnent  accès,  via  des  réactions  de   cyclisation  5-­‐exo-­‐dig  ou  5-­‐exo-­‐trig,  à  des   dérivés   fonctionnalisés   du   cyclopentane   ou   à   des   hétérocycles   variés   (schéma   5.17.a).251   Le   borohydrure   de  sodium  est  utilisé  comme  source  d’hydrogène;  l’oxydant  permettant  de  génerer   l’espèce   radicalaire   cyclisante   par   oxydation   d’une   liaison   C-­‐Fe   intermédiairement   créée   peut   être   l’oxygène   de   l’air251a   ou   le  dioxyde   d’azote   généré   in  situ  par  décomposition  thermique   du   nitrate  de  fer  (III)  utilisé  comme  précurseur  métallique251b  (schéma  5.17.b):

N

Ts

FeBr

3

1,2 équiv.

NaBH

4

1,5 équiv.

Air 1 atm