I – 1 – Température du milieu réactionnel
La réaction ayant lieu dans le DMF à 80°C, un essai a été effectué par chauffage sous irradiation de micro-ondes. En effet, ce mode de chauffage peut donner lieu à des résultats intéressants lorsqu’il est utilisé sur des produits polarisables et dans un solvant polaire. Ici, ce mode de chauffage ne semble pas adéquat puisque le produit attendu n’a pas été observé et seuls l’indole I et l’amide 63 ont été isolés (Tableau 7, entrée 2). Un essai à température ambiante a été mené et celui-ci a abouti à la formation du Z-indoloéthènamide avec un rendement doublé de 18% et un ratio 69/I/59/63 de 1/2/0/0,5 soit le meilleur observé jusqu’alors (entrée 3).
Entrée tBuONa (éq.) T (°C) t (h) 69a (%) Ia (%) Ratio b 69/I/59/63 1 1.5 80 22 7 15 1/6/0/2
2 1.5 80 (M-O) 40 min traces 100 0/1/0/0,6
3 1.5 TA 22 18 5 1/2/0/0,5
Tableau 7 : Optimisation de la température réactionnelle
a : rendement du produit isolé après chromatographie sur colonne de gel de silice b : ratio déterminé par analyse RMN du brut réactionnel
Une fois la température optimale déterminée, la stœchiométrie de la réaction a été étudiée.
I – 2 – Stœchiométrie et concentration
Dans un premier temps, la dilution a été modifiée. En effet, les précédents essais étaient effectués dans les conditions décrites par Wakamatsu adaptées au couplage pallado-catalysé, c’est-à-dire 0,03 mmol/mL. Il s’est avéré qu’à la dilution plus classique de 0,2 mmol/mL la réaction était plus rapide et que la dégradation de l’ynamide était moins importante, le rendement s’en trouvant amélioré (Tableau 8, entrée 2). La diminution de la
Optimisation de la réaction
quantité de base pour un équivalent de chaque partenaire augmente le rendement à 50% en diminuant la dégradation de l’ynamide de départ 59. Cependant la conversion de l’ynamide reste partielle (entrée 3). L’augmentation de la quantité d’indole I n’a pas permis d’améliorer la conversion et le rendement chute légèrement à 40% (entrée 4). En revanche, l’utilisation de deux équivalents de base et d’indole a permis d’augmenter considérablement la conversion de l’ynamide et de diminuer sa dégradation comme le montre le ratio 69/I/59/63 où 59 et 63 sont les plus faibles obtenus jusque-là (entrée 5). Comme les ynamides sont sensibles à l’eau, du tamis moléculaire a été introduit dans le milieu réactionnel ce qui a permis une conversion totale de l’ynamide sans observer sa dégradation. Le rendement est alors quantitatif (entrée 6). Puisque c’est l’augmentation de la quantité de base et l’utilisation de tamis moléculaire qui ont donné les meilleurs résultats, un essai a été effectué avec un seul équivalent d’indole, aboutissant à nouveau à une conversion partielle de l'ynamide (entrée 7).
La stœchiométrie idéale semble donc être l’association de deux équivalents de base à deux équivalents d’indole par rapport à l’ynamide en présence de tamis moléculaire.
Entrée tBuONa (éq.) Indole (éq.) Tamis Moléculaire 3 Å t (h) Concentration (M) 69a (%) Ratiob 69/I/59/63 1 1.5 1 N 30 0,03 18 1/2/0/0,5 2 1.5 1 N 30 0,2 34 1/1/0,4/0,3 3 1 1 N 30 0,2 50 1/0,8/0, 5/0,15 4 1 2 N 72 0,2 40 1/1,8/0,4/0,3 5 2 2 N 30 0,2 - 1/2/0,15/0,1 6 2 2 O 30 0,2 Quant. 1/1/0/0 7 2 1 O 30 0,2 - 1/1/1/0
Tableau 8 : Variation de la stœchiométrie de la réaction
a : rendement du produit isolé après chromatographie sur colonne de gel de silice b : ratio déterminé par analyse RMN du brut réactionnel
I – 3 – Nature de la base
L’utilisation de l’acétate de sodium n’a pas permis la réaction, que ce soit à température ambiante (Tableau 9, entrée 1) ou en chauffant jusqu’à 80°C (entrée 2). Les bases de type hydroxyde ont donné des résultats contrastés : la lithine et la potasse ont permis la formation de produit attendu mais avec des temps de réaction très long et donc des conversions limitées dans les temps de réaction habituels (entrées 3 et 5). Cependant, dans les conditions établies précédemment, la soude a permis la formation du produit attendu avec un rendement de 57% et la conversion quasi-totale de l’ynamide (entrée 4). La diminution de la quantité de soude à 1,5 équivalents a permis d’augmenter le rendement à 64%, toujours avec deux équivalents d’indole (entrée 6). Enfin, dans le but d’éviter d’utiliser un excès d’indole, la réaction a été effectuée avec 2 équivalents de base et un équivalent d’indole, aboutissant à la formation du produit attendu avec un rendement de 87% et une conversion quasi-totale de l’ynamide. Par ailleurs, l’ajout d’un agent chélatant le cation tel que l’éther-couronne 18-C-6 permet de réduire le temps de réaction de 30 h à 4h30 pour un rendement quantitatif (entrée 8).
Entrée Base (éq.) Indole (éq). t (h) T (°C) 69a (%) Ratio b 69/I/59/63 1 NaOAc (2) 2 30 TA - 0/1/1/0 2 NaOAc (2) 2 72 50-80 - 0/1/1/0 3 LiOH (2) 2 30 TA - 1/10,8/6,15/0 4 NaOH(2) 2 30 TA 57 1/1/0,05/0 5 KOH (2) 2 30 TA - 1/4,8/1,4/0 6 NaOH (1,5) 2 30 TA 64 1/2/0,1/0 7 NaOH (2) 1 30 TA 87 1/0,3/0,05/0 8 tBuONa (2) 18-C-6 (2) 2 4,5 TA quant. 1/1/0/0
Tableau 9 : Variation de la base
a : rendement du produit isolé après chromatographie sur colonne de gel de silice b : ratio déterminé par analyse RMN du brut réactionnel
Optimisation de la réaction
Ces expériences nous permettent de tirer quelques informations sur la réaction :
- La force de la base est importante : l’acétate de sodium dont le pKa de l’acide associé est de 12,3 dans le DMSO ne permet aucune réaction alors que le tert-butanolate de sodium dont le pKa de l’acide associé est de 29,4 permet la transformation.
- L’ajout d’un éther couronne, qui permet de séquestrer le cation, diminue considérablement le temps de réaction (entrée 8). Ceci tend à nous indiquer que le cation n’a pas ou que peu d’influence sur la réaction. Or, les entrées 3 à 5 vont à l’encontre de cette hypothèse puisque les conversions diffèrent selon la base. Ces disparités seraient alors dues à la différence de solubilité entre les sels d’hydroxyde et non à une influence du cation dans la réaction.
I – 4 – Nature du solvant
Afin de trouver le solvant idéal pour la réaction et de vérifier les hypothèses sur le caractère ionique de la réaction, le solvant a été modifié. Le THF dont la constante diélectrique est de 7,6 pour un moment dipolaire de 1,75 D est moins dissociant que le DMF (dont la constante diélectrique est de 36,7 pour un moment dipolaire de 3,86 D) et n’a permis qu’une conversion de 50% au bout de 4 jours de réaction (Tableau 10, entrée 1). L’acétonitrile qui présente une constante diélectrique de 37 comparable à celle du DMF et un moment dipolaire de 3,92 D a lui permis une meilleure conversion de 66% au bout de 4 jours de réaction (entrée 2). En revanche, le DMSO n’a abouti qu’à la dégradation de l’ynamide, probablement à cause de la présence de protons acides en alpha du sulfoxyde qui peuvent être déprotonés par la base, générant ainsi un nucléophile fort qui pourrait réagir avec l’ynamide.
Entrée Solvant (mmol/mL) Cste Diélectrique μ (D) T (°C) t (j) Ratio a 69/59 1 THF (0,2) 7,6 1,75 TA 4 1/1 2 MeCN (0,2) 37 3,92 TA 4 1/0,5 3 DMSO (0,2) 47 3,96 TA 1 Dégradation
Tableau 10 : Variation du solvant
a : ratio déterminé par analyse RMN du brut réactionnel
I – 5 – Traitement de la réaction
Lors de l’optimisation de la réaction, une différence a parfois été remarquée entre le ratio observé sur l’analyse RMN du brut réactionnel et le ratio une fois les produits isolés. L’hypothèse de la dégradation des produits au cours du traitement a donc été émise et l’optimisation du traitement de la réaction a été entreprise.
Lors des expériences d’optimisation de la réaction, à la fin de celle-ci, de l’acétate d’éthyle était ajouté, le mélange était filtré sur silice puis les solvants étaient évaporés sous vide. La silice a rapidement été remplacée par la célite puis l’alumine neutre pour éviter que son acidité ne dégrade d’une part l’ynamide restant le cas échéant et d’autre part le Z-indoloéthènamide. En outre, il a été remarqué que le produit final n’était pas parfaitement soluble dans l’acétate d’éthyle, occasionnant des problèmes de reproductibilité selon la quantité utilisée pour rincer l’alumine. Le solvant a alors été changé pour le dichlorométhane.
L’optimisation du traitement a été menée en utilisant le carbazole comme substrat de départ. En effet, le rendement de la réaction était de 50%, ce qui semblait peu compte tenu de la similitude entre l’indole et le carbazole.
Des essais de traitement aqueux ou de filtration dans divers solvants ont été effectués (Tableau 11). Dans un premier temps, un traitement classique a été essayé : hydrolyse à l’eau puis extraction au DCM. Celui-ci n’a permis d’isoler le produit 70 qu’avec un rendement
Optimisation de la réaction
de 20%, le produit s’étant dégradé en amide secondaire 63 (entrée 1). Afin d’éviter l’acidité, une solution saturée en carbonate de sodium a ensuite été utilisée à la place de l’eau et le DCM a été préalablement neutralisé sur carbonate de potassium. La décomposition du produit 70 a encore été observée (entrée 2). Comme l’eau semblait problématique, l’utilisation de celle-ci a été proscrite. Du DCM a été ajouté au brut réactionnel puis le mélange a été filtré sur alumine neutre. Cette fois, seulement 16% d’amide secondaire 63 étaient isolés et le rendement était augmenté à 66% (entrée 3). Comme de l’amide secondaire 63 était encore isolé, le même traitement a été effectué avec du DCM neutralisé sur carbonate de potassium (entrée 4). Aucune décomposition en amide n’a alors été observée et le rendement en produit 70 était augmenté à 84%. Puisque moins le brut réactionnel était manipulé et subissait de traitement, meilleurs étaient les résultats, une tentative de purification immédiatement après l’évaporation du solvant de la réaction sans filtration a été effectuée. Cependant, la présence du tamis moléculaire et de sels a bouché la colonne de gel de silice servant à la purification (entrée 5).
Le meilleur traitement est donc l’ajout de DCM neutralisé et la filtration sur alumine neutre (entrée 4).
Entrée Phase aqueuse Phase
organique Additif
Traitement
particulier Commentaire
1 Eau DCM MgSO4 Rinçage à NaCl
saturée
rdt = 20%, décomposition en amide
2 NaHCO3 saturée DCM neutre MgSO4 - Décomposition en amide
3 - DCM - Filtration sur
alumine neutre
rdt = 66%, 16% d’amide secondaire
4 - DCM neutre - Filtration sur
alumine neutre rdt = 84%, pas de décomposition 5 - - - Evaporation du solvant sans filtration
Beaucoup de sels dans le mélange, colonne
bouchée Tableau 11 : Optimisation du traitement du brut réactionnel
I – 6 – Purification
Les Z-indoloéthènamides ont un rapport frontal très proche de l’indole de départ. Celui-ci étant en excès dans le milieu réactionnel, il se trouve en mélange équimolaire avec le produit désiré. Nous avons donc essayé de trouver un moyen simple et efficace de séparer ces deux espèces.
Comme le produit formé n’est que partiellement soluble dans l’acétate d’éthyle, des essais visant à le précipiter alors que l’indole resterait en solution ont été effectués. Cependant, il restait toujours du Z-indoloéthènamide en solution et une partie de l’indole précipitait elle aussi. La précipitation a également été tentée avec du MTBE et de l’éther éthylique, toujours sans succès.
La purification par chromatographie semble donc être la meilleure solution. Cependant, la sensibilité des produits aux conditions acides nous a poussés à étudier la piste de la colonne de gel d’alumine. Cette méthode a vite été abandonnée car la séparation était très mauvaise. Les purifications étaient donc effectuées sur colonne de gel de silice ouverte, en utilisant comme éluant un mélange heptane/dichlorométhane neutralisé et en appliquant un gradient très progressif. Cette méthode n’était toujours pas optimale car des problèmes de solubilité se posaient selon les substrats et parfois des produits plus polaires éluaient avant des produits moins polaires, occasionnant des mélanges. La meilleure solution s’est avérée être la purification sur colonne de gel de silice fermée pré-conditionnée en utilisant un appareil automatisé. Les pressions étant importantes, le débit est élevé et le temps de résidence des produits sur la silice est raisonnablement court, ce qui évite la dégradation et le conditionnement permet une meilleure séparation, permettant l’utilisation de gradients plus rapides.