Oxathioéthers couronnes : voies de synthèse

I.1.1 Par substitution nucléophile à partir d'un dithiol

I.1.1.1 La double substitution nucléophile : une cyclisation non-spécifique

La première synthèse d’un oxathiaéther cyclique a été décrite en 1934 : la réaction de l’éthanedithiol avec l’éther dichloroéthylique (Schéma 4) conduit à la formation d'un cycle à dix-huit chaînons avec un rendement très faible (1%).9 La formation du cycle à neuf chaînons 1-oxa-4,7-dithia[9]ane n'a pas été observé, ce qui traduit une stabilité supérieure du cycle à dix-huit atomes. Ce phénomène a aussi été constaté lors de la synthèse du 1,4,7,10,13,16- hexathia[18]ane (18-thiacrown-6).9

Schéma 4 - Synthèse du 4,7,13,16-tétrathia-18-crown-6

La découverte des éthers couronnes et de leurs propriétés durant la deuxième moitié du XXème siècle a éveillé un nouvel intérêt pour les macrocycles analogues comportant des atomes de soufre, conduisant parallèlement à la synthèse de thioéthers couronnes et d'oxathioéthers couronnes. La substitution nucléophile d'un dithiolate sur deux carbones électrophiles halogénés sera la principale méthode de synthèse, à l'origine de la majorité des oxathioéthers couronnes.

En 1961, la synthèse de plusieurs nouveaux macrocycles est publiée,10 trois d'entre eux étant obtenus par réaction d'éthers dithiolate sur un éther dihalogéné en milieu hydro-alcoolique et à reflux (Schéma 5).

9

Meadow, J. R.; Reid, E. J. Am. Chem. Soc. 1934, 56, 2177-2180.

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Schéma 5 - Synthèse du 7, 16-ditha-18-crown-6

En modulant le nombre de motifs éther-oxyde dans les réactifs, des cycles à douze, dix-huit et vingt-quatre chaînons ont ainsi été obtenus. Plusieurs synthèses du 4,7,13,16- tétraoxa-1,10-dithia[18]ane dans des conditions de dilution variables ont démontré l'importance de la concentration du milieu réactionnel. En haute dilution (0,02-0,03 mol/L), les produits de cyclisation sont favorisés par rapport aux produits d'oligomérisation ou de polymérisation. L'addition lente des réactifs dans un milieu éthanol-eau à reflux contenant la base inorganique permet de minimiser la concentration relative des réactifs, conduisant à des rendements modérés (40-60%). En 1998, le même produit sera synthétisé à partir d'un polyéther diiodé en présence d'hydroxyde de sodium dans l'éthanol, avec un bon rendement (80%).11

Au cours des années 1970-80, des conditions opératoires analogues ont été utilisées pour synthétiser de nouveaux oxathioéthers couronnes, élargissant la gamme de macrocycles disponibles avec de nouvelles combinaisons en terme de taille et de ratio soufre / oxygène.12 Les travaux de Bradshaw et al.13,14,15 furent parmi les plus prolifiques : description des macrocycles à quinze chaînons, préparation de nouveaux cycles de neuf à vingt-quatre chaînons et synthèse des premiers cycles comportant une fonction hydroxyle (Schéma 6).3 Malgré l'utilisation des conditions de haute dilution précédemment décrites, les rendements sont souvent faibles (1-30%)

11 _{Li, L.; Lei, G.; Gao, W.; Shao, N.; Zhou, C.; Xie, M. Sichuan Daxue Xuebao, Ziran Kexueban 1998,}

35, 297-299.

12 _{Kawasaki, Y.; Matsumoto, T. J. of Inclusion Phenom. 1984, 2(1-2), 171-178.}

13 _{Bradshaw, J. S.; Hui, J. Y.; Haymore, B. L.; Christensen, J. J.; Izatt, R. M. J. Heterocycl. Chem. 1973,}

10, 1-4.

14 _{Bradshaw, J. S.; Hui, J. Y.; Chan, Y; Haymore, B. L.; Izatt, R. M.; Christensen, J. J. J. Heterocyclic}

Chem. 1974, 11, 45-49.

15

Bradshaw, J. S.; Reeder, R. A.; Thompson, M. D.; Flanders, R. L.; Carruth, R. L.; Izatt, R. M.; Christensen, J. J. J. Org. Chem. 1976, 41, 134-136.

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Schéma 6 - Synthèse d'oxathioéthers couronnes hydroxylés

Une autre voie de synthèse (Schéma 7) a par la suite conduit à un cycle hydroxylé à douze chaînons.16,17 Outre l'augmentation du rendement (40%), cette méthode est intéressante car le 1,3-dichloropropan-2-ol est disponible commercialement et peu coûteux, contrairement au 2-hydroxy-1,3-propandithiol.

Schéma 7 - Synthèse d'oxathioéthers couronnes hydroxylés

Cette méthodologie a été transposée lors de la synthèse d'oxathioéthers couronnes de douze à dix-huit chaînons comportant un cycle aromatique.18,19,20 Par exemple, des macrocycles ont été obtenus à partir du toluène-3,4-dithiol (Schéma 8) avec des rendements modérés (30-56%).18

Schéma 8 - Synthèse d'oxathioéther comportant un groupe tolyle

16 _{Tomoi, M.; Abe, O.; Takasu, N.; Kakiuchi, H. Makromol. Chem. 1983, 184, 2431-2436.} 17

Nazarenko, A. Yu.; Kalinin, V. N.; Mikhalyuk, P. I.; Sukhan, V. V.; Timoshenko, V. M. Zh. Neorg. Khim.1993, 38, 1580-1583.

18 _{Pedersen, C. J. J. Org. Chem. 1971, 36, 254-257.} 19

Yoon, I.; Park, K.-M.; Jung, J. H.; Kim, J.; Park, S. B.; Lee, S. S. J. Inclusion Phenom. 2002, 42, 45-50.

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La synthèse de macrocycles fonctionnalisés au niveau du cycle aromatique par des groupement nitro,21 bromés22 et hydroxylés23 a aussi été réalisée.

La disponibilité de polyéthers et/ou polythioéthers comportant suffisamment d'unités éther et/ou thioéther est la principale limite de cette technique. C'est pourquoi certains auteurs ont préféré développer la voie de synthèse initiée par Reid9 pour réaliser des doubles condensations et obtenir ainsi des cycles à dix-huit chaînons.

Le 4,7,13,16-tetrathio-18-crown-6 a ainsi été de nouveau préparé par réaction de deux molécules du dithiolate de l'éther bis-mercaptoéthylique avec deux molécules de dibromoéthane (7%)24, puis l'application des techniques de haute dilution à cette synthèse ont permis d'augmenter fortement le rendement (37%).25 Un cycle similaire à vingt chaînons a aussi été synthétisé, avec un rendement légèrement plus faible (32%).26

Ce type de cyclisation a également été utilisée pour préparer des molécules comportant deux unités intracycliques aromatique ou cyclohexane (Schéma 9).18

Schéma 9 - Synthèse d'un cycle comportant deux cyclohexyles

La substitution nucléophile d'un dichloroéther par un dithiolate a été la principale voie de synthèse de macrocycles mixtes oxygène-soufre en raison de son adaptabilité aux différents réactifs et à sa simplicité de mise en œuvre (bases inorganiques ordinaires, solvants alcool ou eau). Néanmoins, malgré les améliorations dues à l'utilisation de milieux très dilués, les rendements sont souvent modérés, voire faibles.

21 _{Oue, M.; Ishigaki, A.; Kimura, K.; Matsui, Y.; Shono, T. J. Polym. Sci. 1985, 23, 2033-2042.}

22 _{Gromov, S. P.; Fedorova, O. A.; Vedernikov, A. I.; Samoshin, V. V.; Zefirov, N. S.; Alfimov, M. V.}

Russ. Chem. Bull. 1995, 44, 116-123.

23 _{Vedernikov, A. I.; Kuz'mina, L. G.; Strelenko, Yu. A.; Howard, J. A. K.; Gromov, S. P. Russ. Chem.}

Bull. 2010, 59, 927-940.

24 _{Black, D. St. C.; McLean, I. A. Aust. J. Chem. 1971, 24, 1401-11.}

25 _{Grant, G. J.; Galas, D. F.; Jones, M. W.; Loveday, K. D.; Pennington, W. T.; Schimek, G. L.; Eagle,}

C. T.; VanDerveer, D. G. Inorg. Chem. 1998, 37, 5299-5305.

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I.1.1.2 Substitution nucléophile par des thiolates de césium

En s'inspirant des résultats obtenus avec des sels de césium (carboxylates, phénolates) dans la synthèse de macrocycles, Buter et Kellogg27,28 ont proposé une nouvelle méthode pour la synthèse de thioéthers couronnes, avec deux innovations importantes : la préparation du dithiolate à partir du carbonate de césium et l'utilisation du diméthylformamide (DMF) comme solvant polaire aprotique. La haute dilution reste importante, elle a été obtenue par addition lente dans un milieu dilué. La température de réaction (50-60°C) est plus basse que ce qui était précédemment utilisé, ce qui peut également contribuer à éviter la polymérisation.

Cette technique n'est pas spécifique des thioéthers et son application aux cycles mixtes oxygène-soufre a conduit à la synthèse de plusieurs cycles de quinze à vingt-quatre chaînons (Schéma 10) avec de bons rendements (60-90%).27,28,29 La synthèse de cycles à dix-sept et vingt atomes a été réalisée également, mais les rendements sont plus faibles (10-15%).30

Schéma 10 - Synthèse d'oxathioéthers couronnes

Ces conditions sont également adaptées à la synthèse d'oxathioéthers substitués. Des cycles comportant des fonctions cétone,31,32 nitrile,32 hydroxyle,33,34 hydroxyméthyle,33 alkyle,35 allyloxyméthyle33 et "spiroacétal"36 ont ainsi été synthétisés.

27 _{Buter, J.; Kellogg, R. M. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1980, 466-467.} 28 _{Buter, J.; Kellogg, R. M. J. Org. Chem. 1981, 46, 4481-4485.}

29

Pavlishchuk, V. V.; Strizhak, P. E. Chem. of Heterocycl. Compd. 1989, 25, 553-555.

30 _{Song, M. R.; Lee, J.-E.; Lee, S. Y.; Seo, J.; Park, K.-M.; Lee, S. S. Inorg. Chem. Commun. 2006, 9,}

75-78.

31 _{Buter, J.; Kellogg, R. M.; van Bolhuis, F. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1991, 910-912.}

32 _{Zenina, A. A.; Rakhmanov; E. V.; Bobyleva, A. A.; Lukovskya, E. V.; Kuzmina, L. G.; Abramov,}