partie B : Études spectroscopiques du NED et deux analogues

Introduction

Bien que les alcaloïdes de la Cinchona (CD) soient les modificateurs chiraux les plus performants, le NEA, ses dérivés et analogues structuraux ont aussi été explorés. Leurs simplicités permettent de mieux isoler l’induction de chiralité sur la surface de Pt. Dans la deuxième partie de ce chapitre, nous explorons le comportement du modificateur synthétique (R)-1-naphtyl-1,2-éthandediol, (NED), en le comparant avec les produits commerciaux (R)- NEA et (R)-N-Méthyle-1-(1-naphtyl) éthylamine (MNEA).

La motivation principale pour l’étude des interactions entre le modificateur chiral et le substrat prochiral est le développement rationnel de nouveaux systèmes catalytiques. Avec cet objectif, le NEA et ses analogues sont des candidats idéals pour ce sujet. C’est en quoi Baiker et leurs collègues ont enquêté sur le potentiel de ces modificateurs pour l’hydrogénation énantiosélective de l’α cétoester cyclique, soit le KPL (Schéma 23).49

Schéma 23 : Énantiosélectivité de l’hydrogénation du KPL sur le Pt avec différents modificateurs chiraux.

Le NED est un modificateur chiral partageant une structure relativement semblable à celle du NEA, à l’exception que le centre chiral, au lieu de porter une fonction amine et un groupement éthyle reliés à l’anneau naphtyle, le NED, quant à lui, possède deux fonctions

alcool, dont un alcool primaire et un alcool secondaire sur un groupement éthylnaphtalène. L’alcool secondaire fait du NED le modificateur chiral qui ne possède pas de fonction amine. De plus, il partage une caractéristique apparentée aux alcaloïdes de l’espèce Cinchona, soit un alcool chiral. Le NED est le premier exemple d’un modificateur chiral performant sans azote sur le Pt capable de guider l’hydrogénation du KPL dans des conditions douces. Ceci ouvre la porte aux nouveaux développements de modificateurs opérant sur les métaux de platine. En effet, l’hypothèse voulant que la présence nécessaire d’un azote basique pour un transfert de chiralité soit dorénavant remise en question due à ses performances.

Travaux présentés

Pour cette étude, nous avons synthétisé ce modificateur en utilisant la méthode de Sharpless présenté dans le chapitre I et ses données spectrales étaient en accord avec la littérature. L’excès d’énantiomère mesuré par HPLC est de 96% pour l’énantiomère R avec un pouvoir rotatoire de -64.8 (c 1.09, CHCl3), ce qui est en accord avec la valeur retrouvée de la littérature pour cet énantiomère (-84.0 (c 0.11, CHCl3)).

Le composé NED a donc l’exclusivité d’être le seul actif dans la réaction asymétrique d’hydrogénation d’Orito n’ayant pas de fonction azote. Ceci permet de considérer que les fonctions alcool, sur un centre asymétrique présent sur le NED, mais aussi sur les alcaloïdes de la Cinchona, jouent un rôle important dans le transfert de chiralité. Bien que la littérature démontre que l’alkylation de la fonction amine de la cinchonidine avec une fonction méthyle ou benzyle annule toute induction chirale50, le taux de transfert de chiralité est différent entre la cinchonidine (CD) et de son épimère au niveau de l’alcool. Ceci veut dire que l’amine n’est pas le seul agent responsable du transfert de chiralité, mais qu’il y ait un effet synergique de la part des centres chiraux. En effet, si le centre stéréogénique de l’alcool sur la cinchonidine est inversé, la vitesse et l’excès d’énantiomère sont affectés. Les excès énantiomériques peuvent facilement diminuer de moitié selon les conditions de réactions, en employant l’épimère au niveau de l’alcool des alcaloïdes de la cinchona selon le substrat. Par exemple, le remplacement de la quinidine par l’épi-quinidine diminue l’excès énantiomérique de 85% à 42% pour la synthèse du (R)-lactate. Dans le cas de la quinine et

de son épimère, l’excès passe de 81% à 22% pour la synthèse du (S)-lactate.51_{Par conséquent,} les variations de la structure affectent la performance des modificateurs chiraux et l’alcool chiral fait partie des éléments qui jouent un rôle essentiel dans l’interaction substrat/modificateur. C’est avec cette considération que les relations entre le substrat KPL et son modificateur, soit le NED, le NEA et son homologue alkylé à la fonction amine MNEA seront explorés.

Dans cette section, on retrouve une étude comparative par le laboratoire des surfaces sur la coordination du KPL par le NEA, NED et MNEA sur le Pt(111). L’excès d’énantiomère pour l’hydrogénation du KPL vers le (D)-PL sur le Pt/Al2O3 modifié par le NED est de 25%. Celui du MNEA est de 32 % ee, pendant que l’excès d’énantiomère par le NEA est de 52% ee.52

Le laboratoire des surfaces de l’Université Laval, a déjà publié des études STM du KPL avec le NEA sur le Pt(111) à 248 K.53 La résolution submoléculaire, montrant un motif STM qui peut être divisé en trois saillies distinctes, a été obtenue pour les molécules isolées de KPL dans des mesures performées à 215 K. Le même contraste a été vu dans les complexes du KPL avec le NEA dans les mesures performées à 248 K. La correspondance entre les motifs STM et les structures moléculaires sont estimées en se basant sur les images simulées par DFT. Ces résultats ont permis de développer une certaine expertise avec le STM pour déduire la prochiralité des substrats liés aux modificateurs. Afin d’assigner les KPL complexés avec un modificateur, il est nécessaire de considérer la correspondance entre les motifs de DFT calculés et la structure moléculaire. Des résultats publiés ont montré que les saillies brillantes représentent les deux fonctions méthyle du diméthyle, spécifiquement, celle qui pointe vers le haut par rapport à la surface. La saillie sombre située grossièrement la partie ester du KPL. Ces résultats portaient sur le calcul d’images par DFT simulé de KPL chimisorbé, autant lorsqu’il est isolé que lorsqu’il est sous forme de complexe. C’est donc à partir de ces résultats que l’on assume que l’orientation des motifs STM du KPL correspond à une flèche qui commence avec la fonction ester, la partie sombre du motif, vers le groupement diméthyle qui est représenté par la partie brillante.

Les travaux présentés ici mettent l’accent sur les données STM mesurées à température pièce. Il est justifié d’effectuer les mesures à température ambiante parce que les excès d’énantiomère des études catalytiques publiées par Baiker et ses collègues n’ont été pas obtenus à de faibles températures comme 215 à 248 K. Cependant, même si les mesures à température pièce peuvent imiter plus fidèlement les conditions d’opération catalytique, ils ont l’inconvénient d’offrir une faible résolution d’images STM. Dans cette étude, la résolution des données précédemment publiées a servi de guide pour les analyses des motifs de KPL observés à température pièce.

NEA

Une analyse détaillée des images de NEA a déjà été étudiée par le laboratoire des surfaces. Les résultats montraient que les saillies brillantes localisaient grossièrement les groupements éthylamine et de ce fait le centre chiral (Figure 20).

Figure 20 : Images STM du (R)-NEA sur le Pt(111) à 300 K et représentation schématique de la géométrie du (R)-NEA-1 et 2.

On observe que le NEA peut se trouver sous forme de deux conformères adsorbés : (R)-NEA 1 et 2. L’explication vient du fait que la géométrie de l’ancrage par la fonction

naphtyle sur le Pt affectera le comportement du modificateur avec le substrat au cours du transfert de chiralité. Les images STM des composés co-adsorbés ont montré une combinaison de NEA et de complexes NEA/KPL. Les mesures prises à température pièce ne permettent pas d’offrir la résolution des trois saillies distinctes observées dans les données prises à 248 K. Dans ce cas-ci, le KPL apparaît dans des complexes comme un motif allongé avec une saillie brillante au bout (Figure 21). Les motifs STM montrées ont été observés avec des conditions de couverture de près de 150 molécules de NEA par surface de 30 X 30 nm2, avec une abondance de 30% présents sous forme de complexes.

Dans un échantillon de 250 complexes, environ 80% des motifs étaient des structures 1 : 1 (binaire) tandis que la plupart des motifs restants sont des structures NEA/(KPL)2. Environ la moitié de tous les complexes sont formés par le (R)-NEA-2 quoiqu’il représente le conformère minoritaire (Figure 21). Dans près de 93% des complexes 1 : 1, le KPL est distribué soit du côté droit du centre chiral du (R)-NEA-2 soit des deux côtés du centre chiral du (R)-NEA-1 (Figure 21 A-B). Les motifs (R)-NEA-2/KPL peuvent, par la suite, être divisés en trois configurations (Figure 21 C-D-E). Le motif D (Figure 21 D) est l’inverse de l’orientation du motif C, tandis que le motif E à une orientation qui clairement distinct des motifs C et D.

Figure 21 : Images STM des complexes NEA/KPL sur le Pt(111). Les motifs (A) et (B) impliquent le (R)-NEA-1 et les motifs (C-D-E) le (R)-NEA-2. Des propositions pour les structures moléculaires correspondantes aux images sont montrées en dessous des images.

Le manque de trois éléments clairs dans les motifs de KPL rend impossible l’analyse par angle (θ, φ) avec les paramètres de structures précédemment utilisés dans les autres publications pour catégoriser les données STM.54 Plutôt, afin de performer une catégorisation simplifiée des motifs de coordination, le laboratoire des surfaces les a simplement triés en fonction de deux paramètres : (1) si le KPL était placé à la droite ou à la gauche de la saillie brillante; (2) l’orientation du motif KPL. L’orientation est définie comme une flèche pointant de la partie sombre à l’extrémité de la partie brillante du motif allongé. Dans approximativement 70% des complexes, la résolution submoléculaire est suffisamment bonne pour distinguer la saillie brillante et ainsi assigner l’orientation. Étant donné qu’au moins un carbonyle interagit avec le modificateur dans tous les complexes, on peut croire que la prochiralité des KPL sous forme de complexes peut être déduite avec un bon niveau de confiance à partir de l’orientation des motifs STM observés. Donc, le laboratoire des surfaces a assigné l’état de prochiralité du KPL dans les complexes de NEA/KPL donnant lieu aux motifs (Figure 21 A-E) comme pro-R, pro-R, pro-S, pro-R et pro-R respectivement.

Nous retrouvons ici un résumé statistique des données prises à température pièce pour le NEA/KPL (Figure 22).

Figure 22 : Représentation schématique de la distribution en structure et en prochiralité du KPL dans les complexes KPL/NEA sur le Pt(111).

Cette figure spécifie autant la position que l’orientation de la prochiralité. Il peut être vu que les deux conformères du NEA démontrent une sélectivité prochirale distincte. Alors que le (R)-NEA-2 forme la majorité des complexes à la droite de son groupement éthylamine, il possède une faible sélectivité prochirale due à la présence très populeuse de structures pro-

S et pro-R. En ignorant les complexes non assignés, le ratio global du (R)-NEA-2 avec le

KPL pour les pro-R et pro-S est de 24 : 17. En revanche, les complexes formés à la droite et à la gauche du (R)-NEA-1 ont tous les deux démontré une bonne sélectivité prochirale R, mais ils étaient en population faible. De plus, les complexes (R)-NEA-1 ont montré une

fraction plus importante de motifs non assignés. Le ratio global de prochiralité du KPL amènerait à un excès d’énantiomère de 34%. Cette valeur pro-R s’approche du 52% rapporté dans la littérature pour les expériences d’hydrogénation.50

NED

Il y a deux motifs STM observés pour le NED, chacun affichant une saillie sombre et une autre plus petite, légèrement plus lumineuse placée soit au centre droit (Figure 23 H) soit à gauche (Figure 23 I). Les deux motifs (Figure 23 H et I) sont présents dans un ratio de 64 pour 36. En les comparants avec ceux du NEA, le laboratoire des surfaces a assigné la saillie sombre au groupement naphtyle et la plus petite saillie brillante au groupement éthanediol. Ils ont étiqueté le motif majoritaire comme (R)-NED-1 et le motif minoritaire (R)-NED-2.

Figure 23 : Images STM du (R)-NED sur le Pt(111) à 300 K et représentation schématique de la géométrie du (R)-NED-1 et 2.

La prochiralité est aussi déduite pour les motifs STM par la même logique que le NEA/KPL (Figure 24). Il est assumé que tous les complexes font participer des interactions pont-H, soit les interactions OH···O.

Figure 24 : Images STM des complexes NED/KPL sur le Pt(111) à 300 K. Les motifs (A) et (B) impliquent le (R)-NED-1 et les motifs (C-D) le (R)-NED-2. Des propositions pour les structures moléculaires correspondantes aux images sont montrées en dessous des images.

Les données ont été mesurées avec des conditions de couverture d’environ 90 molécules NED par surface de 30 X 30 nm2 ou il y avait environ 35% de ces modificateurs chiraux étaient impliqués dans un complexe. Lorsque le laboratoire des surfaces limite leur analyse à des complexes 1 : 1 substrat/modificateur, environ 92% des motifs sont distribués parmi des sous-groupes de trois sites de liaisons illustrés (Figure 25).

Figure 25 : Représentation schématique de la distribution en structure et en prochiralité des complexes KPL/NED observés par STM sur le Pt(111).

Le (R)-NED-2 est le mode d’adsorption le plus actif, formant 51% de tous les complexes, quoiqu’il soit le conformère minoritaire. Dans approximativement 83% des couples NED/KPL, la résolution submoléculaire est suffisamment bonne pour assigner l’orientation du substrat.

Le ratio de prochiralité indique que les conformères (R)-NED-1 et (R)-NED-2 montrent aussi des sélectivités prochirales distinctes. Pendant que les complexes de (R)- NED-2 sont les plus nombreux, il y a en moyenne la même quantité d’états de complexe qui favorise l’orientation prochirale R que prochiral S. D’autre part, les complexes (R)-NED-1 affiche une sélectivité pro-R très bonne, quoiqu’ils soient en faible nombre. Ce qui est observé pour le NEA n’est pas pour observer pour le NED. En effet, un certain type de motif de (R)-NEA-2 avec le KPL n’est pas observé pour le (R)-NED-2.

Négligeant la contribution des complexes non assignés, le ratio prochiral global donnerait un excès d’énantiomère de 22%, ce qui est bon accord avec celui de 25% publié pour l’hydrogénation du KPL en (R)-PL sur le platine modifié par le NED.50

MNEA

Les images STM du MNEA montrent deux motifs principaux (Figure 26 F-G) comptant pour 90% de toutes les molécules de MNEA chimisorbées et sont présentes en proportions à peu près égales. En comparant avec le NEA, la saillie brillante est déplacée vers la droite pour ces deux motifs. Par analogie avec l’étiquetage précédemment établi pour le NEA, la nomenclature utilisée avait été (R)-NEA-1 et (R)-NEA-2, le laboratoire de chimie des surfaces a étiqueté les dérivés chimisorbés en tant que (R)-MNEA-1 et (R)-MNEA-2 (Figure 26).

Figure 26 : Images STM du (R)-MNEA sur le Pt(111) à 300 K et représentation schématique de la géométrie du (R)-MNEA-1 et 2.

Les images STM du MNEA et du KPL sur le Pt(111) sont montrées ici (Figure 27). Dans un échantillon de 200 complexes, avec une couverture d’environ 50 molécules de MNEA par surface de 30 X 30 nm2, il y a environ 50% des molécules de modificateurs sont dans un complexe. Sous ces conditions, près de 80% des complexes affichent ce type de motif qui est illustré dans cette figure.

Figure 27 : Images STM des complexes MNEA/KPL sur le Pt(111) à 300 K. Les motifs (A) et (B) impliquent le (R)-MNEA-1 et les motifs (C) le (R)-MNEA-2. Des propositions pour les structures moléculaires correspondantes aux images sont montrées en dessous des images.

Une comparaison pour le MNEA avec les données classées pour le couple NEA/KPL montre trois différences principales. En premier lieu, les complexes formés par le (R)- MNEA-2 sont moins abondant que ceux formés par le (R)-MNEA-1 (Figure 27), en comparaison à la formation préférentielle des complexes (R)-NEA-2 (Figure 21). En second lieu, les complexes de (R)-MNEA-2 forment des agrégats sous forme de deux configurations tandis que le (R)-NEA-2 montrait une troisième configuration abondante donnant lieu au

motif E (Figure 21). En troisième lieu, les complexes du côté gauche du (R)-MNEA-1 affiche une sélectivité prochirale opposée à celle du (R)-NEA-1.

Globalement, il est possible d’assigner une prochiralité qu’à environ deux tiers des complexes MNEA/KPL (Figure 28).

Figure 28 : Représentation schématique de la distribution en structure et en prochiralité des complexes KPL/MNEA observés par STM sur le Pt(111).

Le ratio résultant observé par STM est d’environ de 52 sur 48, pro-R contre pro-S, soit de 4% ee, ce qui est considérablement moins que le 32% d’ee, observé lors de l’hydrogénation du KPL sur le platine modifié par le MNEA.

Pour le NEA et le NED, les ratios prochiraux estimés sont suffisamment près des ratios énantiomériques publiés pour suggérer une connexion directe entre les deux mesures.

Par contre, les ratios prochiraux déduits pour le MNEA sont très loin des valeurs obtenues expérimentalement.50_{Ces valeurs de ratios prochiraux ont été estimées à partir de données} prises à plusieurs endroits sur la surface et de plusieurs expériences. Cependant, puisque les échantillons de données étaient petits, les estimations des ratios prochiraux devraient être prises seulement à titre indicatif. Par conséquent, avec l’absence d’informations cinétiques et prenant en considération la grande différence entre les conditions expérimentales dans les mesures du laboratoire de science des surfaces et des mesures catalytiques, nous préférons mettre l’emphase que les ratios prochiraux sont le résultat de plusieurs états prochiraux distincts dans chaque cas.

Le système modificateur chiral/KPL/Pt(111) offre plusieurs options de liens intermoléculaires, ce qui explique pourquoi il y a une grande variété de géométrie de coordination avec une certaine population dans chaque cas. Le NED et le NEA contiennent chacun deux donneurs de liens-H conventionnels servant de points d’ancrage, tandis que le MNEA n’a qu’un seul donneur de ponts-H conventionnels par sa fonction amine secondaire. Le KPL, quant à lui, présente trois accepteurs de liens-H, soit les deux fonctions carbonyles et la fonction éther. La cétone du KPL forme un lien pontant avec le Pt(111) et la combinaison de cette forte chimisorption et des liens-H intermoléculaires forts amènent à des complexes stables dans une variété de configurations. Les chimisorptions fortes des groupements aromatiques sur le Pt permettent de développer des propriétés de donneurs de liens-H qui ainsi offrent plus d’options pour les liens dans les complexes.55_{De plus, les trois} modificateurs chimisorbés existent sous trois formes distinctes de rotamères. Clairement, plusieurs configurations de liaisons sont possibles et que, globalement, les organisations prochirales sont issues d’une sommation de différentes configurations de liaisons.

Les conséquences du remplacement du NEA par le MNEA sont majeures en matière de la diminution des excès d’énantiomère imagés de 34% à 6% basée sur les ratios prochiraux. Cette réduction peut être attribuée à deux facteurs. Le premier, c’est la coordination au (R)-MNEA-2 est devenue une option moins intéressante, poussant ainsi à une augmentation du nombre de complexes de (R)-MNEA-1 avec le KPL (Figure 28). Le second facteur est qu’une grande fraction des complexes (R)-MNEA-1/KPL est dans un état

pro-S alors que cet état est faiblement peuplé dans les complexes de (R)-NEA-1/KPL. Ces changements sont attribués à l’encombrement stérique introduit par le substituant méthyle du MNEA. Par contre, il y a une grande similarité entre les données STM pour le NEA et le NED. Nous expliquons ce phénomène aux faits que ces deux modificateurs possèdent chacun deux forts sites de donneurs de ponts-H (NH2 et deux fonctions alcools).

Conclusions

L’objectif de cette étude était de comparer les ratios prochiraux du cétopantolactone sur le Pt(111) induit par la coordination du NEA et de deux autres modificateurs chiraux de structures analogues. Cela a pour but le développement rationnel du système catalytique et en d’autres termes, c’est de comprendre le système pour le modifier.

Les expériences STM ont été accomplies à température ambiante afin d’imiter les conditions de réaction catalytiques. Néanmoins, la majorité des motifs STM représentant des complexes ont affiché un contraste suffisamment bon permettant une estimation de l’état de prochiralité des complexes KPL utilisant des géométries de coordination prédite par les calculs DFT comme simple guide. La correspondance entre les calculs DFT opérés par le laboratoire du Danemark qui ont aussi participé à cette étude sur les états de géométrie et des géométries déduites des motifs STM est relativement faible. Pour chacun des trois modificateurs, les observations pour les ratios prochiraux résultent de la sommation des états prochiraux placés à plusieurs sites sur le modificateur. La faible différence de structure entre le NEA et le MNEA amène à des différences significatives dans la distribution des états induits de prochiralité. Le ratio prochiral pour le NEA et le NED est près des excès d’énantiomère publiés dans la littérature pour ces modificateurs avec le KPL sous les conditions de réactions catalytiques. Ces études démontrent surtout le potentiel de cette

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