métaux de transition
E. Fonctionnalisation de liaisons C-H sp
La présence d’un système π permet au substrat de se complexer au catalyseur métallique, ce qui favorise l’activation des liaisons C-H sp2 ou sp. Ce type de système étant absent sur les dérivés saturés, l’activation de liaisons C-H sp3 non acides est donc beaucoup plus délicate. Des approches variées ont néanmoins été mises au point, impliquant notamment la précoordination du complexe métallique au substrat par différents modes.76
Ainsi, une addition oxydante dans une liaison carbone-halogène présente sur le substrat conduit à un complexe organométallique qui peut alors réaliser une activation
74
A. J. Kunin, R. Eisenberg, J. Am. Chem. Soc. 1986, 108, 535.
75
En position α : N. Chatani, T. Fukuyama, F. Kakiuchi, S. Murai, J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 493. N. Chatani, T. Fukuyama, H. Tatamidani, F. Kakiuchi, S. Murai, J. Org. Chem. 2000, 65, 4039. En position β : T. Fukuyama, N. Chatani, J. Tatsumi, F. Kakiuchi, S. Murai, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 11522. En position γ : S. Imoto, T. Uemura, F. Kakiuchi, N. Chatani, Synlett 2007, 170 et références citées. En position δ : N. Chatani, S. Yorimitsu, T. Asaumi, F. Kakiuchi, S. Murai, J. Org. Chem. 2002, 67, 7557.
76 Revues récentes : a) R. H. Crabtree, J. Organomet. Chem. 2004, 689, 4083. b) R. Jazzar, J. Hitce, A.
Partie A. Formation de liaisons C-C et C-Hét via la rupture d’une liaison C-H métallocatalysée
45 intramoléculaire de liaison C-H, généralement via l’abstraction d’un proton par une base (Schéma A-51). Le métallacycle ainsi formé peut réagir par insertion d’un réactif insaturé, élimination réductrice, β-H élimination ou être fonctionnalisé par transmétallation.
Schéma A-51 : Activation et fonctionnalisation de liaisons C-H sp3 initiées par addition oxydante
De nombreuses réactions intramoléculaires, utilisant ce mode d’activation, ont été rapportées pour la formation de cycles. Ainsi, le groupe de Baudoin a décrit la formation de benzocyclobutènes à partir de bromoarènes catalysée par un complexe de palladium en présence de tri-tert-butylphosphane et de carbonate de potassium dans le DMF à 140°C (Schéma A-52).77a,c Cette réaction fait intervenir intermédiairement un palladacycle à 5 chaînons qui évolue par élimination réductrice pour conduire au benzocyclobutène. Lorsque le carbone quaternaire du substrat est fonctionnalisé par des groupes alkyles branchés, il se forme préférentiellement un palladacycle à 6 chaînons dont l’élimination réductrice permet la formation de l’indane correspondant (Schéma A-52, F-TOTP = tris(5-fluoro-2- méthylphényl)phosphane).77b
Schéma A-52 : Formation de cycles accolés par activation C-H dirigée par addition oxydante
Le groupe de Catellani a rapporté une séquence intéressante qui permet la synthèse d’un tricycle à partir de 2,6-diméthyliodobenzène et de norbornène en présence d’acétate de palladium et d’acétate de potassium dans le DMF à 105°C (Schéma A-53).78 Cette réaction procède par addition oxydante du complexe de palladium dans la liaison Carbone-Iode, suivie de la carbopalladation du norbornène, d’une activation C-H intramoléculaire pour conduire à un métallacyle à six chaînons qui évolue ensuite par élimination réductrice.
77 a) O. Baudoin, A. Herrbach, F. Guéritte, Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 5736. b) J. Hitce, P. Retailleau, O.
Baudoin, Chem. Eur. J. 2007, 13, 792. c) M. Chaumontet, R. Piccardi, N. Audic, J. Hitce, J.-L. Peglion, E. Clot, O. Baudoin, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 15157.
78
Partie A. Formation de liaisons C-C et C-Hét via la rupture d’une liaison C-H métallocatalysée
46
Schéma A-53 : Exemple de fonctionnalisation de liaisons C-H dirigée par addition oxydante
Ces approches permettent la fonctionnalisation d’une liaison C-H, mais nécessitent néanmoins que le substrat possède une fonction halogénée. Une autre méthode plus économique en atomes consiste en l’utilisation d’un groupe directeur présent sur la molécule de départ pour diriger l’activation C-H (Schéma A-24). Le complexe alkylmétal formé peut ensuite, par exemple, être fonctionnalisé par des réactions d’addition sur des dérivés insaturés pour former des liaisons C-C. Ainsi, le groupe de Murai a montré que le noyau pyridine permet de diriger la propionylation d’une liaison C-H sp3 en position γ en présence d’un catalyseur de rhodium (Schéma A-54).79
Dans cette réaction, l’activation de la liaison C-H est suivie d’une insertion de l’éthylène dans la liaison Rh-H, puis de l’insertion de CO suivie d’une élimination réductrice.
Schéma A-54 : Propionylation de la 2-(pyrrolidin-1-yl)pyridine catalysée par le rhodium
Après activation de la liaison C-H, il est également possible de réaliser des réactions de couplage qui permettent notamment la formation de liaisons C-Hétéroatome.12,64 Ainsi, l’équipe de Yu a utilisé un groupe oxazoline chiral pour diriger l’activation C-H puis l’iodation diastéréosélective catalysée par un complexe de palladium en présence d’un co- oxydant (Schéma A-55).80
Schéma A-55 : Iodation diastéréosélective dirigée par un groupe oxazoline
Outre les hétéroatomes, les insaturations peuvent également être utilisées pour diriger l’activation d’une liaison C-H. En particulier, l’activation de liaisons C-H allyliques permet la formation intermédiaire de complexes π-allyliques sur lesquels divers nucléophiles carbonés, oxygénés ou azotés peuvent s’additionner. Par exemple, l’équipe de White a mis au point l’amination allylique palladocatalysée de divers substrats avec de bonnes régio- et stéréosélectivités (Schéma A-56).81 L’utilisation d’un complexe de chrome comme acide de Lewis s’est révélée décisive pour l’étape d’addition du nucléophile azoté sur le
π-allylpalladium.
79 N. Chatani, T. Asaumi, T. Ikeda, S. Yorimitsu, Y. Ishii, F. Kakiuchi, S. Murai, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122,
12882.
80 R. Giri, X. Chen, J.-Q. Yu, Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 2112. 81
Partie A. Formation de liaisons C-C et C-Hét via la rupture d’une liaison C-H métallocatalysée
47
Schéma A-56 : Activation allylique palladocatalysée suivie de l’addition d’un nucléophile azoté
Nous venons d’explorer différents modes d’activation de dérivés saturés utilisant diverses fonctionnalités présentes sur ces substrats. Cependant, l’activation et la fonctionnalisation directes d’alcanes, qui représentent un défi très important d’un point de vue synthétique, industriel et économique, ne peuvent reposer sur ces principes et la mise au point de réactions sélectives est beaucoup plus délicate. Récemment, le groupe d’Hartwig a réussi à réaliser la borylation régiosélective d’alcanes par des complexes de rhénium, de rhodium ou de ruthénium et a pu fonctionnaliser sélectivement divers alcanes en position terminale (Schéma A-57).62,82
Des mesures d’effet isotopique et des calculs de modélisation moléculaire par DFT montrent que l’excellente régiosélectivité observée serait due non seulement à l’activation C-H mais également à l’étape de fonctionnalisation, qui sont toutes deux favorisées pour les liaisons C-H primaires.82d
Schéma A-57 : Borylation régiosélective de l’octane
IV.
Conclusion
Au cours de cette première partie, nous avons abordé différentes réactions de fonctionnalisation de liaisons C-H impliquant leur rupture par des complexes de métaux de transition. Ces approches présentent l’avantage d’être très directes, permettant l’élaboration de molécules complexes à partir de substrats accessibles, et conduisent généralement à la réduction de la quantité de déchets produits.
Cependant, bien que la communauté scientifique porte un intérêt croissant au développement de ces réactions, la mise au point de procédés opérant avec de meilleures sélectivités, sur une gamme plus large de substrats et dans des conditions plus douces est toujours hautement souhaitable tant sur le plan académique qu’industriel.
Il avait été mis au point au laboratoire un système catalytique flexible composé d’un précurseur de ruthénium, d’un réducteur et d’un ligand phosphoré, permettant de générer in
situ des complexes de ruthénium qui s’étaient révélés efficaces dans des réactions
d’hydroarylation impliquant l’activation de liaisons C-H (Schéma A-58).83,84
82 a) H. Chen, S. Schlecht, T. C. Semple, J. F. Hartwig, Science 2000, 287, 1995. b) J. D. Lawrence, M.
Takahashi, C. Bae, J. F. Hartwig, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 15334. c) J. M. Murphy, J. D. Lawrence, K. Kawamura, C. D. Incarvito, J. F. Hartwig, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 13684. d) C. S. Wei, C. A. Jiménez- Hoyos, M. F. Videa, J. F. Hartwig, M. B. Hall, J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 3078.
83
Partie A. Formation de liaisons C-C et C-Hét via la rupture d’une liaison C-H métallocatalysée
48
Schéma A-58 : Hydroarylation d’alcènes catalysée par un complexe de ruthénium généré in situ
Au cours de cette thèse, nous avons cherché à élargir le domaine d’application de ces conditions réactionnelles à une large gamme de substrats ainsi qu’à découvrir de nouvelles réactivités de ce système catalytique. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’extension de la réaction d’hydroarylation à de nouveaux substrats ainsi qu’à la simplification des conditions réactionnelles vers un précurseur métallique plus aisément accessible et des conditions plus douces.
84 a) R. Martinez, R. Chevalier, S. Darses, J.-P. Genet, Angew. Chem. Int. Ed. 2006, 45, 8232. b) R. Martinez, J.-
P. Genet, S. Darses, Chem. Commun. 2008, 3855. c) R. Martinez, M.-O. Simon, R. Chevalier, C. Pautigny, J.-P. Genet, S. Darses, J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 7887.