Oxydations asymétriques catalysées par des métalloporphyrines chirales

a. Oxydation asymétrique avec des oxydants autres que H2O2

i.

Depuis les premiers travaux de Merrifield en 1963,¹⁰⁵ les réactions supportées ont connu de nombreux développements. Une avancée importante dans l’immobilisation de catalyseurs hétérogènes a été la possibilité d’améliorer la distribution des sites actifs au sein des polymères. L’immobilisation du catalyseur constitue une méthode qui permet d’améliorer l’efficacité du système mais surtout de séparer le catalyseur des autres réactifs et de le recycler.

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En 2006, l’étude des propriétés catalytiques des polymères chiraux de porphyrines de ruthénium et de fer par Yann Ferrand^5b dans le cadre de sa thèse au laboratoire a mis en évidence leurs activités pour les réactions d’oxydation asymétrique de sulfures et d’oléfines. Les polymères de métalloporphyrines ont été préparés en utilisant la méthode de Frechet^5b pour la synthèse des résines monolithiques et en utilisant comme monomère la porphyrine chirale d’Halterman fonctionnalisée par 4 groupements vinyles sur la périphérie.

Quatre polymères, selon le degré de ramification, ont été synthétisés (Figure 25). Cela a été possible en changeant la proportion de divinylbenzène ajouté ou en le remplaçant par un autre agent de réticulation (le diméthacrylate d’éthylène glycol (EGDMA)). Ces polymères, surtout ceux du fer, ont donné des résultats intéressants et prometteurs en oxydation de thioanisole en présence de PhIO comme oxydant. Un bon excès énantiomérique est maintenu (65-68%) en comparaison avec celui obtenu avec la métalloporphyrine à l’état monomérique (68%) dans les conditions de catalyse homogène. Une importante amélioration de rendement et de sélectivité est apportée par ces systèmes, le rendement augmente de 43% dans le cas du monomère à 75-89% dans le cas des polymères. En époxydation, les polymères de fer sont moins efficaces, mais ceux de ruthénium en présence de N-Oxyde de 2,6-dichloropyridine ont donné des résultats encourageants, comparables à ceux obtenus dans les conditions de catalyse homogène. N N N N M R R R R O O O O M= FeCl, RuCO R= _p n p _n

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L’importance de ce système catalytique hétérogène par rapport à son analogue homogène a été démontrée par la possibilité de sa réutilisation dans plusieurs cycles catalytiques successifs après son recyclage par simple filtration.

ii.

L’utilisation de ruthénium comme métal central dans les systèmes porphyriniques a permis d’améliorer les rendements des réactions d’hydroxylation.¹⁰⁶ Généralement, ces métalloporphyrines sont associées au 2,6-Cl₂pyNO comme oxydant,¹⁰⁷ bien qu’il existe quelques exemples intéressants décrivant cette réaction en utilisant l’oxygène moléculaire¹⁰⁸ comme oxydant. L’intermédiaire catalytique proposé pour ces réactions est l’espèce trans dioxo-Ru^VI,¹⁰⁹ d’où la nécessité que les deux faces de la porphyrine chirale soient identiques pour offrir la même orientation du substrat lors de la réaction.

Inspiré par le travail de Gross et al.¹¹⁰ qui décrit le premier exemple d’époxydation asymétrique catalysée par une porphyrine homochirale de ruthénium, Le Maux et al.¹¹¹ préparent deux porphyrines homochirales et étudient l’activité de leurs complexes de ruthénium dans le cadre de la réaction d’époxydation asymétrique d’oléfines. Le complexe dioxoruthénium (Schéma 12) est généré par la réaction du complexe porph-RuCO avec 2,5 équivalents d’acide m-chloropéroxybenzoïque. Ce complexe donne de faibles excès énantiomériques en époxydation du styrène (7,5%), cela peut être expliqué par l’étroitesse du site actif de la porphyrine (A) lorsqu’un seul carbone (n=1) sépare le cyclohexane de l’oxygène en ortho. Ainsi, les excès énantiomériques sont améliorés avec la métalloporphyrine (B) pour le styrène (23%) et pour ses dérivés (17-35%) grâce à un degré de liberté légèrement supérieur. Le dihydronaphtalène est oxydé avec 35% d’excès énantiomérique, mais avec seulement 22% de rendement.

64 N N N N Ru O O O O O O O O O O R R R R R= (CH2)n (CH₂)_n n= 1 (A) n= 2 (B) N N N N Ru CO EtO O O O O O O O O R R R R m-CPBA porph-RuCO

Schéma 12. Les deux complexes de ruthénium de la porphyrine homochirale développée par Le Maux et al.¹¹¹

b. Oxydation asymétrique avec H2O2

Plusieurs exemples dans la littérature,^69a-c associant des porphyrines de fer non chirales à H₂O₂ comme oxydant ont été décrits dans le but d’isoler des espèces intermédiaires instables pour rétablir un mécanisme de cette réaction. Etant donné qu’il présente un modèle synthétique du « shunt H₂O₂ » de l’enzyme cytochrome P450, ce système a fait l’objet de nombreuses études.^69d N N N N SO₃Na NaO₃S SO₃Na SO₃Na Fe Cl

Figure 26. Complexe de fer de la porphyrine d’Halterman hydrosoluble⁷⁰

Dans le cadre de développement d’une chimie plus verte par notre laboratoire d’une part, et de l’étude de l’activité catalytique de métalloporphyrines hydrosolubles d’autre part,¹¹² Le Maux⁷⁰ a développé dans un travail récent et préliminaire la réaction d’oxydation asymétrique de sulfures en sulfoxydes chiraux. Les réactions sont réalisées en utilisant la

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métalloporphyrine d’Halterman hydrosoluble de fer (Figure 26) en présence d’H2O2 comme oxydant vert alternatif de PhIO.

Dans le méthanol comme solvant, en présence de 1,2 équivalent d’H2O2,le thioanisole et ses dérivés sont oxydés avec des excès énantiomériques variant entre 61 et 74% à température ambiante. A –20 °C, les excès augmentent jusqu’à 90% pour le 2-bromothioanisole en présence de 2-méthylimidazole, une valeur jamais atteinte avec des systèmes porphyriniques en sulfoxydation asymétrique. Ces résultats sont résumés dans le tableau 2 ci-dessous. Dans cette étude, le double rôle du méthanol en tant que solvant et ligand axial a été démontré. Cet aspect, montre l’importance de l’utilisation de métalloporphyrines solubles dans les solvants protiques, la présence de groupements sulfonates permet le déroulement de la réaction dans un milieu parfaitement homogène.

H₂O₂

S _{S S}

+

O O

O

Sulf oxyde sulfone

R _{R R}

Schéma 13. Réaction de sulfoxydation par H2O2 catalysée par la métalloporphyrine d’Halterman hydrosoluble

Tableau 2. Oxydation asymétrique des sulfures catalysée par le complexe de fer de la porphyrine d’Halterman hydrosoluble R T (°C) Conversion (%) Sulfoxyde : Sulfone (%) Ee (%) 1 H 20 100 98 : 2 71 2 H 0 100 96 : 4 81 3 H -20 100 95 : 5 84 4 4-Me -20 87 95 : 5 79 5 4-OMe -20 95 94 : 6 76 6 4-NO₂ -20 90 95 : 5 85 7 2-Br -20 98 98 : 2 87 8^a 2-Br -20 61 92 : 8 90

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