II. Les carbènes N-hétérocycliques
II.3. Structure et propriétés des NHC libres
II.4.2. Méthodes de synthèse
II.4.2.1. Synthèse des précurseurs de NHC
Les principaux précurseurs de NHC sont les sels d’imidazolium et d’imidazolinium. Il existe plusieurs voies principales d’obtention de ces précurseurs suivant l’ordre d’introduction des différentes unités qui les composent (squelette, unité précarbénique, groupes amino) conduisant
à la fermeture de cycle.60 Nous en présentons quelques-unes ci-dessous.
Fermeture de cycle par introduction finale de l’unité précarbénique
Grâce à des protocoles relativement faciles à mettre en œuvre, une bonne tolérance à la diversité de substituants et des rendements plutôt élevés, cette méthode est actuellement la plus répandue. Même si plusieurs réactifs de départ sont possibles pour former le squelette, elle est souvent employée sur des diamines substituées et utilise la plupart du temps un trialkyle
orthoformiate pour introduire l’unité précarbénique. Les stratégies de synthèse diffèrent en
particulier selon la voie d’obtention des diamines substituées.
Par exemple, des diamines primaires commerciales peuvent constituer le réactif de départ
donnant accès à une grande variété d’imidazolium N,N’-symétriques ou dissymétriques. En
2010, Bellemin-Laponnaz et coll. rapportent la synthèse d’un précurseur de NHC symétrique
par condensation entre l’éthylènediamine et le 3,5-di-tert-butylcatéchol conduisant à la diamine
substituée correspondante, suivie d’une cyclisation en présence de triéthyl orthoformiate et de
HCl (Schéma 17).61 Lors de cette synthèse, les auteurs tirent parti de l’équilibre céto-énolique
du catéchol.
Schéma 17 : exemple de synthèse d'un imidazolium à partir de l'éthylène diamine61
Des précurseurs dissymétriques ont également pu être synthétisés à partir de diamines primaires. En 2005, Hoveyda et coll. mettent au point la synthèse d’un sel d’imidazolinium
Buchwald-31
Hartwig sur la (1R,2R)-diphényléthylènediamine, suivis de la déprotection du groupement
méthoxy et de la cyclisation en présence de triéthyl orthoformiate (Schéma 18).
Schéma 18 : exemple de synthèse d'imidazolium chiral et dissymétrique62
Les sels de benzimidazolium constituent également une importante classe de précurseurs de NHC. En 2001 Diver et coll. rapportent la synthèse d’une série de benzimidazolium porteurs
d’un carbone asymétrique en α de l’azote (Schéma 19).63 Leur stratégie consiste en deux
aminations successives de Buchwald-Hartwig sur le 1,2-dibromobenzène suivies d’une fermeture de cycle en présence de triéthyl orthoformiate. Ils obtinrent de cette manière des précurseurs de NHC chiraux avec des rendements globaux allant de 58 à 75%.
Schéma 19 : exemple de synthèse de benzimidazolium63
Il est également possible d’utiliser le glyoxal comme réactif de départ permettant de former le squelette de base. En effet, en 2000, Nolan et coll. développent une stratégie de synthèse de sels
N,N’-diaryl-imidazolium symétriques en deux étapes à partir d’une aniline substituée (Schéma
20). Celle-ci réagit avec le glyoxal en présence d’une quantité catalytique d’acide formique pour former la diimine correspondante à l’issue de la première étape. Ensuite, la fermeture de
32
cycle est réalisée en utilisant cette fois le formaldéhyde comme unité précarbénique en présence
d’HCl, conduisant aux sels d’imidazolium avec des rendements de 66 à 70%.64a,b Plus tard,
Hintermann propose de remplacer le HCl par le chlorotriméthylsilane permettant d’obtenir de
meilleurs rendements (69 à 81%).64c
Schéma 20 : exemple de synthèse d'imidazolium symétriques à partir du glyoxal64
Fermeture de cycle par introduction finale du squelette sur l’unité formée par le carbone carbénique lié aux groupes amino
Cette deuxième méthode, de plus en plus utilisée depuis une dizaine d’années, a l’avantage de donner accès à une plus grande diversité de structures. Une voie d’obtention d’imidazolium
N,N’-disubstituées symétriques est celle développée en 1991 par Arduengo qui consiste en une
réaction one-pot à 4 composants mettant en jeu le formaldéhyde, 2 équiv. d’une arylamine ou
alkylamine et le glyoxal (Schéma 21).65 Lors de cette réaction on génère in situ un aminal N,N
’-disubstitué qui conduit au sel d’imidazolium par réaction avec le glyoxal en présence de HCl. Bien que cette méthode se soit révélée efficace avec plusieurs amines aliphatiques ou aromatiques, elle n’est pas généralisable à toutes les amines stériquement encombrées.
Schéma 21 : Fermeture de cycle par introduction finale du squelette sur l’unité formée par le carbone carbénique lié aux groupes amino65
Par la suite d’autres stratégies ont alors été adoptées. Par exemple, en 2009, Glorius et coll.
développent une série de sels d’imidazolium 4,5-substitués, N,N’-symétriques et N,N
’-dissymétriques, chiraux ou achiraux, en utilisant un nouveau type de réaction one-pot (Schéma
22).66 Celle-ci fait intervenir une formamidine qui va réagir dans un premier temps avec une
33
déshydratation par réaction avec l’anhydride acétique conduit au sel d’imidazolium correspondant. Cette stratégie a permis à Glorius et coll. de synthétiser plusieurs sels d’imidazolium possédants divers motifs de substitution en position 4 et 5 de l’hétérocycle, et dont les substituants liés aux azotes diffèrent par leur nature et leur encombrement stérique.
Schéma 22 : méthode de synthèse de sels d'imidazolium au squelette substitué66
Plus récemment, une méthode one-pot multicomposants développée par Mauduit a donné accès avec de bons rendements à une variété d’imidazoliums dissymétriques et chiraux par réaction
entre une aniline, un amino-alcool chiral, le formaldéhyde et le glyoxal.67
Schéma 23 : méthode multicomposants de synthèse de sels d'imidazolium dissymétriques chiraux67
Synthèse d’autres classes de NHC moins courantes
Des NHC « moins classiques » peuvent être préparés. En 2007, Lassaletta et coll., synthétisent des sels d’isoquinolinium, précurseurs directs d’isoquinolin-1-ylidènes, nouveau type de NHC
(Schéma 24).68 Ces isoquinoliniums sont préparés par réaction de Zincke entre le
34
transamination via une séquence ouverture de cycle / fermeture de cycle en présence de la (R
)-phényléthylamine. Cette méthode offre la possiblité d’introduire facilement un centre stéréogène et de donner accès à des ligands carbéniques dont les propriétés électroniques peuvent être modulées simplement par la présence de groupements donneurs ou électro-attracteurs sur le cycle benzénique.
Schéma 24: exemple de synthèse d'un sel d' isoquinoliniums permettant l'accès à des pyridine-ylidènes68
II.4.2.2. Synthèse de complexes métalliques de NHC
La grande majorité des applications des NHC implique leur coordination à des métaux de transition. Il existe plusieurs méthodes d’obtention des complexes métalliques de NHC
(Schéma 25).69
La plus simple et la plus utilisée fait intervenir le carbène libre préformé70 ou généré in situ71
par déprotonation à l’aide d’une base (NaH, t-BuOK par exemple), qui par réaction avec un
précurseur métallique conduit au complexe de NHC.
Une deuxième consiste en la génération d’un complexe carbénique d’argent par réaction du
précurseur imidazolium avec Ag2O. Ensuite, grâce à la grande labilité de la liaison Ag-NHC,
le complexe métallique de NHC peut être obtenu par transmétallation en présence d’un
précurseur métallique. Cette méthode, introduite par Lin72 et coll. en 1998, est moins efficace
avec les NHC saturés en raison d’une trop grande disponibilité de la paire libre du carbone carbénique diminuant la labilité de la liaison Ag-NHC. Elle offre néanmoins l’avantage de pouvoir se faire dans des conditions douces et de ne pas nécessiter l’utilisation de base forte.
Une autre méthode consiste en l’addition oxydante d’une liaison C2-X (X = H, Halogène) d’un
sel imidazolium faisant intervenir un métal de transition à bas degré d’oxydation.73
Ces différentes méthodes sont résumées dans le schéma 25. La nomenclature ainsi que les différentes représentations possibles des complexes de NHC sont représentées dans ce même schéma.
35
Schéma 25: méthodes de préparation d'un complexe de NHC