III. Synthèse d’un allène à l’échelle du gramme:
2. Modification du système catalytique:
Finalement l’étape de catalyse a été testée dans les conditions utilisées jusqu’alors sur une échelle de 0.1 mmol (substrat à 0.2 M dans le chloroforme, en présence de 4 mol% de catalyseur C3 à 25 °C). La réaction est très rapide et extrêmement propre. En 25 minutes, la conversion est complète, et aucune impureté n’est décelable par 1H-RMN.
De manière intéressante, la formation de cet allène
3.82
apparaît beaucoup plus propre que celle de l’allène3.31
(équivalent non azoté). En effet, il semble que le complexe C3 soit quelque peu désactivé par l’atome d’azote, ce qui ralentit la formation des produits secondaires, et explique les rendements obtenus supérieurs.Par contre, l’allène se dégrade lentement avec le temps en présence du catalyseur. 12h après la fin de la conversion, le brut réactionnel contient 10% de diène 3.86 (isomérisation de l’allène) et 15% de l’indène 3.87 (Schéma 133)
Schéma 133: Dégradation lente de l’allène en produits secondaires
Il est donc nécessaire d’arrêter la réaction dès que possible lorsque la conversion du substrat est complète pour empêcher la formation de ces produits secondaires. L’utilisation à large échelle de ces conditions peut poser des problèmes. En effet, le temps de catalyse
conversion complète du substrat. De plus, la réaction est extrêmement rapide, ce qui laisse penser qu’il est possible de diminuer la charge de catalyseur.
Ainsi, le système catalytique a été affiné. Différentes charges catalytiques, concentrations en substrat, solvants et températures ont été testés, à l’échelle habituelle des catalyses (0.1 mmol de substrat).
Dans un premier temps, la charge de catalyseur a été changée. Lors des réactions de catalyse précédentes, la charge catalytique était fixée à 4 mol%. Nous avons considéré qu’il s’agissait d’une quantité raisonnable pour réaliser nos réactions sur une petite échelle. En effet, il s’agit d’une quantité à la fois petite et suffisante pour pouvoir peser avec précision le catalyseur (4mol% de catalyseur représente 4.7 mg) Si la réaction est effectuée sur une échelle beaucoup plus importante, il n’y a pas de raison de ne pas baisser cette charge catalytique si la réaction est toujours aussi efficace.
La diminution de la charge catalytique ralentit légèrement la vitesse de la réaction (Schéma 134). Par contre, on observe plus rapidement la formation du diène et de l’indène. Lorsque seulement 1 mol% de catalyseur est employé, la formation de ces sous-produits débute avant la conversion complète du substrat en allène. Il est donc possible de diminuer la charge catalytique pour effectuer la réaction à plus grosse échelle, mais cela aura pour conséquence de former davantage de sous produits qu’il faudra alors éliminer lors d’une recristallisation ou d’une précipitation sélective de l’allène. En général, il faut éviter que la réaction ne dure trop longtemps car il est probable que le catalyseur se dégrade lentement en formant une quantité catalytique de HSbF6. Cet acide est alors capable d’isomériser
Schéma 134: Variation de la charge catalytique
La concentration en substrat a ensuite été modifiée. Le but étant d’étudier si la dilution modifie la cinétique de la réaction, et éventuellement si elle favorise la formation des produits secondaires, ou pas. Pour ces expériences, la charge catalytique a été fixée à 2 mol% et les réactions ont été conduites dans le chloroforme à température ambiante.
Quelle que soit la concentration (0.1 M, 0.2 M, 0.5M, ou 1M), la réaction est terminée au bout de 30 minutes. La réaction est propre, et quelques traces des produits secondaires sont détectables par RMN. Il n’est en revanche pas possible de dépasser la concentration de 1.5M qui se trouve légèrement au-delà de la limite de solubilité du substrat dans le chloroforme à température ambiante. La solution réactionnelle est alors trouble et il faut 40 minutes pour obtenir une conversion totale.
La concentration en substrat (et par la même occasion en catalyseur) n’a donc pas d’influence sur la vitesse de la réaction et la quantité de sous produits formés lors de la transformation.
Le critère suivant que nous avons voulu étudier est le solvant de la réaction. Est-il possible de réaliser cette transformation dans un autre solvant ?
transformation. Cela conduirait à l’addition directe du nucléophile sur l’alcyne, ou éventuellement sur l’allène si la réaction a lieu. Les solvants classiques non nucléophiles ont donc été testés. La charge catalytique de 2 mol% a été conservée. Les réaction sont menées à une concentration de 0.2 mol.L-1 à température ambiante (Schéma 135).
L’ajout d’hydrogénocarbonate de sodium ou la neutralisation du chloroforme réputé « acide » ne permettent pas d’éviter la formation des produits secondaires en fin de réaction. Il est possible de réaliser la transformation dans le benzène ou le tétrahydrofurane, mais la réaction est alors plus lente, sans pour autant enlever le problème des impuretés. Le nitrométhane et l’acétonitrile permettent également la formation de l’allène. Ce sont pourtant des solvants à éviter car la réaction est alors très lente, et l’hydratation de l’alcyne est favorisée dans le nitrométhane trop polaire.
Finalement, le solvant de choix semble être le dichlorométhane. La réaction est plus lente, mais la formation des impuretés est également ralentie de manière à laisser suffisamment de temps entre la fin de la conversion du substrat et la formation des impuretés par dégradation ultérieure de l’allène formé in situ.
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Schéma 136: Optimisation – Variation de la température
Finalement, ces nouvelles conditions ont été appliquées à une réaction test sur une échelle moyenne de 3.4 mmol, en vue d’obtenir environ 1 g d’allène. Les conditions retenues sont les suivantes :
-charge catalytique : 0.5 mol%
- concentration : en substrat choix de 0.25 M. - solvant : dichlorométhane
- température : 30 °C (température du bain).
1.04 g d’allène (90%) sont obtenus après 2.5 h de réaction. La réaction est stoppée juste avant la conversion complète du substrat pour éviter la dégradation de l’allène. Il reste alors 2.5% de substrat, et la formation des produits secondaires n’est pas observée. L’allène est purifié par recristallisation.