CHAPITRE IV : CYCLOADDITION DIPOLAIRE 1,3 ENANTIOSELECTIVE DE
1. ETUDE BILIOGRAPHIQUE : CYCLOADDITIONS DIPOLAIRES-1,3 D'ENALS
Dans la littérature, la cycloaddition dipolaire-1,3 asymétrique entre une nitrone et un dipolarophile de type acrylamide bidenté en présence d’un acide de Lewis a été très étudiée. Le premier exemple a été rapporté par Gothelf et Jørgensen181 en 1994 entre des N-aryl C-alkyl aldonitrones et des 3-alcénoyle-2-oxazolidinones en présence de complexes de titane chiraux (Schéma 4-1). < / < / / ! =# " $ ! # " / $ ! # $ /
Schéma 4-1 : CD-1,3 de 3-alcénoyle-2-oxazolidinones avec des nitrones catalysée par des
complexes de Ti
C
es dipolarophiles bidentés sont, en général, constitués d’un acrylamide substitué par un groupement capable d’effectuer un deuxième lien de complexation avec le métal. L’acide de Lewis se chélate alors sélectivement avec le dipolarophile, et non avec la nitrone, et peut alors activer la réaction.La cycloaddition des dipolarophiles monodentés vis-à-vis des nitrones est, par contre, très limitée. Nous présenterons dans cette partie les travaux concernant les dipolarophiles monodentés en particulier les énals vis-à-vis de nitrones.
181
Les premiers exemples de cycloadditions dipolaires-1,3 énantiosélectives dans ce type de demande électronique normale ont été décrits par Kündig et coll. En 2002, ce groupe182 a montré que le complexe de fer D4 est un catalyseur efficace pour la cycloaddition dipolaire-1,3 entre la nitrone cyclique et la méthacroléine D2. Les réactions conduisent régiosélectivement aux isoxazolidines endo avec de hautes énantiosélectivités et de bons rendements (Schéma 4-2).
Schéma 4-2 : CD-1,3 entre les nitrones cycliques et la méthacroléine catalysée au fer
En 2008, Kündig et coll.183 ont montré que la cycloaddition dipolaire-1,3 entre les nitrones C,N-diarylées D5 et la méthacroléine D2 en présence du catalyseur cationique de ruthénium D8 conduit diastéréosélectivement aux isoxazolidines trans résultant de l’approche endo de la nitrone de configuration Z par la face Si de la double liaison de méthacroléine chélaté. La régioselectivité est variable en fonction des propriétés électroniques du substituant C- aryl de l’aldonitrone (Tableau 4-1).
Entrée Ar nitrone T(h) Rdt (%) endoD6/
endoD7a ee (D6/D7) 1 p-NO2 D5a 74 16 95/5 71/- 2 p-CF3 D5b 64 >98 91/9 74/88 3 p-Me D5c 22 >98 41/59 74/95 4 p-OMe D5d 22 >98 21 /79 75/92
a Les diastéréoisomères exo D6 et D7 ne sont pas détectés dans ces conditions catalytiques
Tableau 4-1 : CD-1,3 entre les diaryls nitrones et la méthacroléine ruthéno-catalysée
Les aldonitrones substituées par un groupement électroattracteur conduisent aux isoxazolidines 3,5-disubstituées avec une énantiosélectivité modérée (entrées 1-2),
182
F. Viton, G. Bernardinelli, E. P. Kundig J. Amer. Chem. Soc.2002, 124, 4968.
183
(a) A.Bâdoiu, Y. Brinkmann, F. Viton, E. P. Kündig Pure and Applied Chemistry. 2008,80, 1013; (b) A. Bâdoiu, G. Bernardinelli, J. Mareda, E. P. Kundig, F. Viton Chem. Asian J. 2008, 3, 1298.
contrairement aux aldonitrones substituées par un groupement électrodonneur qui conduisent principalement aux isoxazolidines 3, 4 avec une haute énantiosélectivité (entrées 3-4).
Le remplacement du groupe protecteur de la nitrone D5b par un méthyle184 ou un diphénylméthyle185 dans les mêmes conditions catalytiques a un effet positif sur la cycloaddition dipolaire : cette modification conduit régiosélectivement aux adduits 3,5 avec une excellente sélectivité endo (>93%) d’une part et une haute énantiosélectivité (>90%) d’autre part. Les diastéréoisomères exo (3,5) dans ces dernières conditions ne dépassent pas 10%.
Carmona et al.186 ont montré que les catalyseurs à base de rhodium D14 ou d’iridium D15 sont efficaces pour la CD-1,3 entre les aldonitrones diaryles et différents énals dans le dichlorométhane à -25°C (Tableau 4-2). La réaction conduit aux adduits attendus avec une excellente énantiosélectivité avec l’iridium. Les diastéréoisomères sont séparées par chromatographie sur gel de silice.
Tableau 4-2 : CD-1,3 entre la diaryl aldonitrone D9 et différents énals en présence des
catalyseurs à base de rhodium D14 et d’iridium D15
Les intermédiaires de la réaction ont été isolés et caractérisés par cristallographie et par spectroscopie. La mise en évidence de ces espèces a permis d’expliquer le cycle catalytique
184
A. Bâdoiu, G. Bernardinelli, E. P. Kündig Synthesis 2010, 13, 2207.
185
A. Bâdoiu. E. P. Kündig Org. Biomol. Chem. 2012, 10, 114.
186
(a) D. Carmona, M. P.Lamata, F. Viguri, R. Rodriguez ,T. Fischer, F. J. Lahoz, I. T. Dobrinovitch, L.A. Oro Adv. Synth.
Catal. 2007, 349, 1751; (b) D. Carmona, M. P. Lamata, F. Viguri, R. Rodriguez, L.A. Oro, A. I. Balana, F. J. Lahoz, T.
Tejero, P. Merino, S. Franco, I. Montesa J. Amer. Chem. Soc. 2004, 126, 2716.
Entrée Catalyseur énal t(h) Rdt (%) ee (%)
1 D14 D10 16 100 78 2 D15 D10 16 100 90 3 D14 D11 72 98 68,5 4 D15 D11 25 100 84,5 5 D14 D12 96 10 90,5 6 D15 D12 72 55 94
de la réaction et les sélectivités obtenues. La stéréochimie et la configuration absolue du complexe catalytique ligandé au dipolarophile favorise l’approche endo de la nitrone par la face Re de l’énal car l’approche Si est encombrée par le phényle du ligand (R) Prophos.
Ces auteurs ont montré également que la CD-1,3 de nitrone D9186b avec la méthacroléine en présence de D14 conduit à une faible régiosélectivité mais à une bonne énantiosélectivité endo pour les isoxazolidines (3,4) allant jusqu'à 92% (Schéma 4-3). Cette sélectivité endo résulte de l’attaque de la nitrone par la face Si du dipolarophile. L’approche exo est défavorisée due à la présence des interactions stériques entre le substituant de l’azote et le méthyle du ligand (R) Prophos.
Schéma 4-3 : CD-1,3 entre la diaryl aldonitrone D9 et le méthacroléine en présence de D14
Dans une autre étude, l’équipe de Maruoka187 a utilisé un bis-binolate de titane chiral (D19-D21) pour la cycloaddition dipolaire-1,3 entre la N-diphénylméthyl C-phényl aldonitrone et différents énals (D2, D10, D11). La réaction conduit régiosélectivement à un seul diastéréoisomère avec une haute énantiosélectivité et un bon rendement (Tableau 3-3). Ces adduits proviennent de l’approche endo par la face Si de l’aldonitrone Z. La régiosélectivité de la réaction dépend de l’énal utilisé.
187
(a) T. Hashimoto, M. Omote, T. Kano, K. Maruoka Org. Lett. 2007, 9, 4805; (b) T. Hashimoto, M. Omote K. Maruoka
Entrée catalyseur énal T°C t(h) Rdt (%) ee D21a (%) 1 D19 D2 0 24 80 93 2 D20 D10 - 40 13 91 97 3 D19 D11 0 24 94 89
a les diastéréoisomères exo ne sont pas détectés dans ces cycloadditions
Tableau 4-3 : CD-1,3 énantiosélective de la diphénylméthyl nitrone vis-à-vis de
différents énals en présence d’un catalyseur à base de Ti
Pour compléter cette recherche bibliographique, nous citons les autres groupes qui utilisent des acides de Lewis chiraux pour la cycloaddition dipolaire 1,3 entre des dipolarophiles monodentés et des aldonitrones non activées (Schéma 4-4): Yamada et coll.188 ont utilisé le complexe -cétoiminato de cobalt (III) pour la CD-1,3 entre les diaryls aldonitrones et différents énals. Kanemasa189 et coll. ont utilisé des complexes de nickel(II), de magnesium (II) et de zinc (II) pour la CD-1,3 entre les diaryls nitrones et l’acroleïne.
Schéma 4-4 : Différents acides de Lewis chiraux utilisés pour la CD-1,3 entre les diaryls
aldonitrones et les énals , insaturés
188
1N. Ohtsuki, S. Kezuka, Y. Kogami, T. Mita, T. Ashizawa, T. Ikeno, T. Yamada Synthesis 2003, 9, 1462.
189
(a) M. Shirahase, S. Kanemasa, Y. Oderaotoshi Org. Lett. 2004, 6, 5, 675; (b) M. Shirahase, S. Kanemasa, M. Hasegawa
Doyle et coll.190 ont utilisé le carboxamidates de dirhodium (II) pour la CD-1,3 entre les diaryls nitrones et différents énals (Schéma 4-7). Ces catalyseurs conduisent toujours à une endo sélectivité et une bonne énantiosélectivité.
Pour l'ensemble de ces travaux bibliographiques, les cycloadditions dipolaires-1,3 de dipolarophiles pauvres monodentés mettent en jeu uniquement des diaryls aldonitrones, et les premiers exemples en catalyse métallique impliquant des nitrones fonctionnelles ont été réalisés par notre équipe191 avec des cétonitrones formellement dérivées de l'alanine.
Dans notre laboratoire, Dujardin et coll.191 ont ainsi montré que la cycloaddition entre des cétonitrones dérivées d’alanine et la méthacroléine 2a en présence du catalyseur à base de ruthénium 1b dans le tert-butyl méthyl éther à -10°C conduit régiosélectivement aux isoxazolidines endo avec une haute diastéréo- et énantiosélectivité résultant de l’approche endo par la face Si de la nitrone. (Tableau 4-4)
Entrée GP R1 R2 Rdt (%) exo : endo ee(exo : endo)
(%) b
1 Bn Me Et 91 99 :1 84 :-
2 Bn t-Bu Me 99 92 :8 92 :-
3 DPM Me Me - - -
4 Me Et Me 42(86) a 15 :85(7 :93) a - :77(- :81) a
a Réaction dans CH2Cl2 b : Diastéréoisomères séparés par chromatographie sur gel de silice. Excès énantiomériques déterminés par HPLC après réduction de l’aldéhyde en alcool
Tableau 4-4 : CD-1,3 de cétonitrones avec la méthacroléine en présence du catalyseur à
base de ruthénium
Le groupe protecteur de la nitrone et le changement du solvant jouent un rôle très important sur l’induction asymétrique de la réaction. L’introduction du groupement diphényle méthyle comme groupe protecteur conduit à une cétonitrone inactive dû à l’augmentation de l’encombrement stérique de ces cétonitrones. L’introduction d’un groupement méthyle inverse la diastéréosélectivité et conduit majoritairement aux isoxazolidines exo (endo :exo :
190
X. Wang, C. Weigl, M. P. Doyle J. Amer. Chem. Soc. 2011, 133, 9572.
191
15 :85) avec une énantiosélectivité environ de 77%. Le changement du solvant par le dichlorométhane améliore l’exo sélectivité à 93% ainsi que l’énantiosélectivité à 81%.
2. CYCLOADDITION DIPOLAIRE-1,3 UTILISANT UN ORGANOCATALYSEUR