l’oxydation in situ d’alcoolsl’oxydation in situ d’alcools
A. J Parker, M K Whittlesey, J M J Williams, Synthesis 2009, 1578.
106 1% 106 1%
Partie D. Réactions tandem impliquant l’oxydation in situ d’alcools
174
Nous avons vu que la dimérisation catalytique d’alcools constitue une approche performante pour la formation de l’ester correspondant, et plusieurs systèmes catalytiques se sont révélés efficaces dans cette réaction. Nous allons présenter la version intramoléculaire de cette transformation qui consiste en la formation de lactones à partir de diols.
2. Formation de lactones
De nombreuses conditions ont été mises au point pour la cyclisation de diols en lactones, principalement des diols-1,4 en γ-butyrolactones. Cette réaction comporte néanmoins divers enjeux qu’il est important de dégager préalablement à la description des différents systèmes catalytiques. Les premiers, inhérents à toute cyclisation, concernent l’influence de la substitution de la chaîne et de la taille du cycle formé. En effet, la présence de substituants sur le diol facilite la cyclisation en abaissant l’énergie du rotamère réactif.312 Ainsi, la cyclisation du 1,1’-(1,2-benzène)diméthanol est plus rapide que celle du butane-1,4-diol et la réaction de diols peu substitués est donc généralement plus délicate. La taille du cycle est également un paramètre important. Ainsi, Illuminati et Mandolini ont montré que la vitesse de cyclisation d’ω-bromocarboxylates suit l’ordre suivant 5 > 6 > 7 > 10-12 > 8-9 (Schéma D-45).313 La taille de cycle des lactones formées sera donc un paramètre intéressant pour évaluer et comparer les performances de différents systèmes catalytiques rapportés.
Schéma D-45 : Influence de la taille du cycle formé sur la vitesse de cyclisation
Les autres enjeux, propres à la cyclisation de diols, concernent la sélectivité de la réaction (Schéma D-46). Par exemple, il est important de contrôler la chimiosélectivité de la réaction de cyclisation d’un diol composé d’un alcool primaire et d’un alcool secondaire afin d’éviter la réaction parasite de formation d’une hydroxycétone. De plus, la cyclisation de diols dissymétriques nécessite un contrôle de la régiosélectivité de la réaction. Enfin, la stéréosélectivité de la cyclisation constitue également un défi majeur, par exemple pour la désymétrisation de diols méso.
312 Revue sur l’effet de substituants gem : M. E. Jung, G. Piizzi, Chem. Rev. 2005, 105, 1735. 313
G. Illuminati, L. Mandolini, Acc. Chem. Res. 1981, 14, 95 et références citées. Taille du cycle lo g kin tr a
Partie D. Réactions tandem impliquant l’oxydation in situ d’alcools
175
Schéma D-46 : Enjeux concernant la sélectivité de la cyclisation de diols
Nous allons à présent exposer les différents catalyseurs mis au point pour la lactonisation de diols. Afin de comparer leurs performances au travers des différents enjeux que nous venons de dégager, les résultats obtenus sur divers diols ont été rassemblés (Tableau D-1). Ainsi, l’effet de la taille du cycle peut être évalué par la cyclisation des diols linéaires non substitués conduisant aux lactones à 5, 6 et 7 chaînons, la chimiosélectivité par la réaction du pentane-1,4-diol et la régiosélectivité par celle de butane-1,4-diols disubstitués en position 2 et 2’.
Tableau D-1 : Métaux de transition utilisés pour la cyclisation catalytique de diols[a]
Entrée Conditions Réf. 1 RuH2(PPh3)4 2% acétone (1-3 éq) toluène, 180°C 89%[b] 92%[b] 95% [d] (97/3) 82% [b] 0% 307 2 RuH2(PPh3)4 4% 4-Ph-3-butèn-2-one (2 éq) toluène, 20°C - 100%[b] 100% [b],[e] (99,6/0,4) - - 315 3 RuH4(PPh3)3 2% acétone/benzène, 40°C 85% 86% - 70% [b] 34%[b] 316 4 49 1%, Na2CO3 1,5 éq CHCl3, 90°C 99% 50%[b] - 99% 90% 317 5 114 1%, t-BuOK 1% acétone, 30°C 99% [c] 96%[c],[f] - 81%[c] 0% 318 6 Pd(OAc)2 2%, PPh3 6% K2CO3 2,1 éq, PhBr 2,1 éq DME, 85°C 100%[b] - 90% [e] (30/70) - - 319 7 50 0,5% acétone, TA 96% 88% 98%[g] (99/1) 95% - 321
[a] Les rendements indiqués sont les rendements en produit isolé sauf indication contraire. Entre parenthèses est
indiquée la régiosélectivité de la réaction, le produit représenté étant majoritaire. [b] Rendements déterminés par CPG. [c] Rendements déterminés par RMN. [d] R = H et R’ = 2-methyl-1,3-dioxolan-2-yl. [e] R = R’ = Me. [f] Le substituant n’est pas un méthyle mais un n-pentyle. [g] R = R’ = Ph.
Partie D. Réactions tandem impliquant l’oxydation in situ d’alcools
176
L’équipe de Murahashi a rapporté la lactonisation de diols dans les conditions précédemment décrites pour la formation d’esters à partir d’alcools.307 Ainsi en utilisant le complexe RuH2(PPh3)4 dans le toluène à 180°C et avec l’acétone comme accepteur
d’hydrures, divers diols-1,4 et -1,5 ont conduit aux lactones correspondantes avec de bons rendements (entrée 1).307 De plus, une très bonne régiosélectivité de 97/3 est obtenue pour la cyclisation d’un diol dissymétrique. Les lactones 110 et 112 ont également été isolées avec des rendements respectifs de 79 et 83% dans des conditions analogues à plus basse température (110°C) en utilisant l’allylcarbonate de méthyle comme accepteur d’hydrures.314 L’équipe de Saburi et Yoshikawa a montré que le complexe RuH2(PPh3)4, en présence de
4-phényl-3-butèn-2-one comme accepteur d’hydrures, permet la lactonisation d’une large gamme de diols-1,4 et -1,5 dissymétriques à température ambiante dans le toluène avec d’excellentes régiosélectivités (entrée 2).315a-b Dans des conditions analogues, les auteurs ont également utilisé le complexe de rhodium RhH(PPh3)4 mais les sélectivités obtenues sont
généralement inférieures.315c
Des polyhydrures métalliques à base d’iridium (IrH5(Pi-Pr3)2), de rhénium (ReH7(Pi-
Pr3)2) ou de ruthénium (RuH4(PPh3)3) ont été utilisés par Lin pour la cyclisation de diols-1,4
et -1,5 en présence d’acétone dans le benzène (entrée 3).316 De plus, dans ces conditions, des lactones à 7 et 11 chaînons peuvent également être obtenues à partir du hexane-1,6-diol et du décane-1,10-diol.
Le groupe de Park a rapporté l’utilisation du catalyseur de Shvo 49 à 90°C dans le chloroforme pour la lactonisation de diols (entrée 4).317 De bons rendements sont obtenus dans ces conditions pour former des lactones de 5 à 7 chaînons, mais la formation de la lactone 111 s’accompagne de 50% d’hydroxycétone correspondant à l’oxydation sélective de l’alcool secondaire par rapport à l’alcool primaire. Le chloroforme joue ici le double rôle de solvant et d’oxydant, le produit d’oxydation étant le dichlorométhane dont la formation est détectée par RMN 1H et 13C (Schéma D-47).
Schéma D-47 : Schéma mécanistique de la formation de lactones catalysée par le catalyseur de Shvo 49
Récemment, l’équipe d’Ikarya a montré que le complexe Cp*Ru(PN) 114 (Schéma D-48) est hautement efficace pour la cyclisation de diols-1,4 diversement substitués dans
314
I. Minami, J. Tsuji, Tetrahedron 1987, 43, 3903.
315 a) Y. Ishii, K. Osakada, T. Ikariya, M. Saburi, S. Yoshikawa, Tetrahedron Lett. 1983, 24, 2677. b) Y. Ishii, K.
Osakada, T. Ikariya, M. Saburi, S. Yoshikawa, J. Org. Chem. 1986, 51, 2034. c) Y. Ishii, K. Suzuki, T. Ikariya, M. Saburi, S. Yoshikawa, J. Org. Chem. 1986, 51, 2822.
316 Y. Lin, X. Zhu, Y. Zhou, J. Organomet. Chem. 1992, 429, 269. 317
H. M. Jung, J. H. Choi, S. O. Lee, Y. H. Kim, J. H. Park, J. Park, Organometallics 2002, 21, 5674.
Partie D. Réactions tandem impliquant l’oxydation in situ d’alcools
177 l’acétone, à 30°C, en présence d’une quantité catalytique de t-BuOK (entrée 5).318 La réaction de diols-1,5 nécessite une plus grande quantité d’acétone et des temps plus longs, et les diols- 1,7 ne réagissent pas à moins d’être conformationnellement contraints. Cette différence de réactivité a pu être mise à profit pour la lactonisation de triols (Schéma D-48).
Schéma D-48 : Lactonisation d’un triol catalysée par le complexe 114
Le groupe de Yoshida, qui avait mis au point un système catalytique pour l’oxydation sélective d’alcools en aldéhydes catalysée par le palladium, a utilisé ces conditions pour la lactonisation de diols.319 Ainsi, en présence d’acétate de palladium, de triphénylphosphane, de carbonate de potassium et de bromobenzène comme oxydant, à 85°C, dans le 1,2- diméthoxyéthane, quelques diols-1,4 et -1,5 ont pu être transformés en lactones (entrée 6). De même, l’équipe d’Uemura a pu conduire ce type de réaction sous atmosphère de dioxygène à partir d’acétate de palladium en présence de pyridine et de tamis moléculaire.320
Le complexe d’iridium 50 (Schéma C-10, p.117), dont l’efficacité en tant que catalyseur pour la formation d’esters à partir d’aldéhydes186 ou d’alcools310a avait été démontrée par le groupe de Suzuki, permet également la conversion de diols en lactones avec de très bons rendements, dans l’acétone, à température ambiante et en l’absence de base (entrée 7).321
En 2005, l’équipe de Hartwig a mis au point le complexe de ruthénium 115 (Schéma D-49), associant des ligands phosphorés à une diamine, qui s’est révélé d’une très grande performance pour la lactonisation du butane-1,4-diol en l’absence de base, d’accepteur d’hydrures et de solvant.322 Afin de s’affranchir d’accepteurs d’hydrures dont l’hydrogénation, thermodynamiquement favorisée, contrebalance la déshydrogénation endothermique de l’alcool, la réaction est conduite au reflux de la γ-butyrolactone (205°C) ce qui favorise le dégagement de dihydrogène. Néanmoins, une réaction à si haute température nécessite la conception d’un catalyseur stable et qui ne peut pas être dégradé par des réactions parasites. Ainsi, l’utilisation d’un catalyseur fonctionnant par transfert d’hydrures assisté par la diamine (mécanisme par sphère externe) permet d’éviter la complexation d’aldéhydes au métal qui conduit à l’inactivation du catalyseur via la formation de complexes de type carbonylruthénium par décarbonylation réductrice.307,322 Dans ces conditions, le complexe 115 permet la conversion totale du butane-1,4-diol en γ-butyrolactone à un taux catalytique de 0,006% et un TON de 17000 (Schéma D-49) ce qui permettrait d’envisager une application industrielle de ce procédé.
318 M. Ito, A. Osaku, A. Shiibashi, T. Ikariya, Org. Lett. 2007, 9, 1821.
319 Y. Tamaru, Y. Yamada, K. Inoue, Y. Yamamoto, Z. Yoshida, J. Org. Chem. 1983, 48, 1286. 320 T. Nishimura, T. Onoue, K. Ohe, S. Uemura, J. Org. Chem. 1999, 64, 6750.
321 T. Suzuki, K. Morita, M. Tsuchida, K. Hiroi, Org. Lett. 2002, 4, 2361. 322
J. Zhao, J. F. Hartwig, Organometallics 2005, 24, 2441.
114 114 1%
Partie D. Réactions tandem impliquant l’oxydation in situ d’alcools
178
Schéma D-49 : Lactonisation du butane-1,4-diol en l’absence de base, d’accepteur d’hydrures et de solvant
Afin de développer une version asymétrique de cette réaction, plusieurs équipes se sont intéressées à la désymétrisation de diols méso (comme le cis-cyclohexane-1,2-diméthanol 116) catalysée par des complexes de métaux de transition associés à un ligand chiral (Tableau D-2).
Tableau D-2 : Désymétrisation de diols méso
Entrée Conditions Rdt (%) ee (%) Réf. 1 Ru2Cl4((-)-DIOP)3 2% 4-Ph-3-butèn-2-one (2 éq) NEt3 18%, toluène, 110°C, 20h 90[a] 12[d] 323 2 RhH((-)-DIOP)2 4% 4-Ph-3-butèn-2-one (2 éq) toluène, 50°C, 30h 44[c] 29[d] 315c 3 [RuCl((S)-BINAP)(benzène)]Cl 2% NEt3 9%, 4-Ph-3-butèn-2-one (2 éq) 60°C, 44h 61[b] 23[a] 324 4 [Cp*IrCl2]2 0.5% (R)-phénylglycinol 1%, t-BuOK 5% DCM/acétone (2:1), 30°C, 24h 96[c] 42[e] 325 5 122 4% CHCl3, 7h, hν, TA, air 80 [c] 80[f] 326 [a] Déterminé par CPG. [b] Déterminé par RMN 1H. [c] Rendements en produit isolé. [d] Déterminé par mesure du pouvoir rotatoire. [e] Déterminé par HPLC chirale. [f] Rendements
en produit isolé du lactol correspondant.
Le groupe de Yoshikawa a ainsi utilisé un complexe de ruthénium et de (-)-DIOP pour la désymétrisation de divers diols méso, mais avec de faibles excès énantiomériques (12% pour le diol 116 entrée 1), le meilleur excès énantiomérique étant 15% pour le 3-isopropylpentan-1,5-diol.323 Lorsqu’un complexe hydridorhodium associé à la (-)-DIOP est utilisé, un excès énantiomérique de 29% a pu être atteint, mais le rendement est de 44% (entrée 2).315c L’équipe de Takaya a montré que le complexe cationique [RuCl((S)-BINAP)(benzène)]Cl conduit à la lactone 117 avec un excès énantiomérique de 23% et un rendement de 61% (entrée 3).324
Ce même groupe a pu améliorer l’activité de ce complexe en utilisant des surfactants dans divers solvants organiques, mais l’énantiosélectivité n’a pu être augmentée. L’équipe d’Hiroi a montré que des catalyseurs d’iridium formés in situ à
323 Y. Ishii, K. Osakada, T. Ikariya, M. Saburi, S. Yoshikawa, Chem. Lett. 1982, 8, 1179. 324
K. Nozaki, M. Yoshida, H. Takaya, J. Organomet. Chem. 1994, 473, 253.
115 115 0.006%
117 116
Partie D. Réactions tandem impliquant l’oxydation in situ d’alcools
179 partir du complexe [Cp*IrCl2]2, de t-BuOK et d’aminoalcools chiraux permettaient d’obtenir des
lactones chirales à partir de diols méso.325 L’utilisation du (R)-phénylglycinol a ainsi permis la formation de la lactone 117 avec un rendement de 96% et un excès énantiomérique modeste de 42% (entrée 4). Néanmoins, dans ces conditions, le diol 118 a pu être converti en lactone 119 à l’échelle d’un gramme avec un rendement de 97% et un excès énantiomérique de 81% en utilisant l’aminoalcool 120 comme ligand chiral (Schéma D-50).
Schéma D-50 : Désymétrisation du diol 118 catalysée par un complexe d’iridium associé à l’aminoalcool 120
L’obtention de lactols peut être avantageuse d’un point de vue synthétique puisque c’est un motif présent dans de nombreux produits naturels et il est souvent délicat d’empêcher la suroxydation de ce dernier en lactone. Le groupe de Katsuki s’est intéressé à la formation de lactols chiraux par désymétrisation de diols méso, catalysée par des complexes de type (NO)Ru(salen) sous irradiation à l’air libre (entrée 5).326
Ainsi, le complexe 122 conduit au lactol 121 avec un rendement de 80%, dont l’oxydation conduit à la lactone 117 avec 80% d’excès énantiomérique (Schéma D-51).
Schéma D-51 : Désymétrisation du diol 116 catalysée par le complexe 122
D.
Conclusion
Nous avons vu que la formation de liaisons C-N, C-C et C-O à partir d’alcools, par réaction du dérivé carbonylé généré in situ, constitue une approche synthétique très performante pour former des molécules complexes à partir de substrats aisément disponibles, stables et bon marché. En particulier, les complexes d’iridium et de ruthénium se sont révélés très efficaces dans ces réactions. Cette approche directe conduit à une réduction d’étapes de synthèse, permettant ainsi d’éviter les traitements et les purifications d’intermédiaires qui génèrent des déchets (solvants, sels, etc.) et s’inscrit donc complètement dans les principes de la chimie verte.
Par la suite, nous nous sommes demandé si le système catalytique flexible développé au laboratoire, composé d’une source de ruthénium, de formiate de sodium et d’un ligand, qui catalyse diverses réactions à économie d’atomes notamment à partir de cétones ou
325 T. Suzuki, K. Morita, Y. Matsuo, K. Hiroi, Tetrahedron Lett. 2003, 44, 2003. 326
H. Shimizu, S. Onitsuka, H. Egami, T. Katsuki, J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 5396.
122 122 4% 116 121 117 120 119 118 120
Partie D. Réactions tandem impliquant l’oxydation in situ d’alcools
180
d’aldéhydes, pouvait être employé dans ce type de processus. Nous avons donc cherché, dans un premier temps, à réaliser la réaction d’hydroarylation directement à partir de dérivés de l’alcool benzylique, réaction qui n’a aucun précédent dans la littérature. Nous nous sommes ensuite intéressés à la formation d’esters et de lactones à partir d’alcools et de diols, en nous attachant à mettre au point des conditions efficaces, faciles à mettre en œuvre et applicables à une très large gamme de substrats, ce qui fait défaut à la plupart des conditions réactionnelles et des catalyseurs rapportés jusqu’à présent dans la littérature.
II.
Réaction tandem Oxydation/Hydroarylation
La formation de liaisons C-C par un processus tandem impliquant une réaction d’hydroarylation n’a que très peu de précédents dans la littérature et lorsque nous avons débuté ce projet, un seul exemple avait été décrit par l’équipe de Jun. Ainsi, une séquence déshydrogénation d’amines/transamination suivie d’une hydroacylation puis d’une hydroarylation a pu être réalisée en utilisant le complexe de Wilkinson en présence de 2-amino-3-picoline dans le toluène à 170°C (Schéma D-52).327
Schéma D-52 : Hydroarylation et hydroacylation initiées par déshydrogénation de la benzylamine
Néanmoins, un des inconvénients de cette réaction est que la moitié de la benzylamine introduite est perdue lors de l’hydrolyse de l’imine intermédiaire 123 et le rendement ne peut donc pas dépasser 50%. De plus, seule la benzylamine a été utilisée comme substrat pour cette réaction ce qui limite son utilisation.
Au cours de notre étude, le groupe de Martin-Matute a publié une réaction tandem isomérisation/hydroarylation catalysée par le complexe RuCl2(PPh3)3 en présence de formiate
de sodium et de tri-tert-butylphosphane dans le toluène à 140°C (Schéma D-53).328 Cette réaction est cependant limitée aux alcools allyliques, et il serait intéressant de développer une réaction plus générale.
Schéma D-53 : Réaction tandem isomérisation/hydroarylation catalysée par un complexe de ruthénium
Au vu des résultats obtenus précédemment pour l’hydroarylation de cétones aromatiques (Partie B, p.49), et en considérant l’aptitude des complexes de ruthénium à réaliser la déshydrogénation d’alcools (Partie D.I.C, p.171), nous nous sommes demandé si notre système catalytique pourrait permettre de réaliser une séquence réactionnelle
327 C.-H. Jun, K.-Y. Chung, J.-B. Hong, Org. Lett. 2001, 3, 785. 328
A. Bartoszewicz, B. Martin-Matute, Org. Lett. 2009, 11, 1749.
Partie D. Réactions tandem impliquant l’oxydation in situ d’alcools
181 oxydation/hydroarylation d’alcools benzyliques pour conduire à la cétone alkylée correspondante (Schéma D-54).
Schéma D-54 : Réaction tandem d’oxydation/alkylation d’alcools benzyliques