L’état fondamental de tous les intermédiaires présentés ci-‐dessus est l’état de spin singulet, sauf pour les intermédiaires de cuivre (III) (CN,pF-I et TS2,N,pF-I) qui sont légèrement plus stables (env. 2,5 kcal.mol-‐1 de stabilisation) à l’état triplet.131
Les deux mécanismes de couplage précédents se font avec des énergies d’activation relativement accessibles (25,64 kcal.mol-‐1 pour le mécanisme à quatre centres, 12,44 kcal.mol-‐1 pour le mécanisme à trois centres).
Toutefois, le mécanisme de couplage passant par l’addition oxydante à trois centres (schéma 2.72.b) est hors-‐jeu, car, instantanément, le système {AN+C6F5I} évolue vers la formation du complexe BN,pF-I (liaison halogène), la formation duquel est très exothermique. La formation du complexe à liaison halogène BN,pF-I est favorisée.
Or, ce complexe peut mener à la réduction de C6F5I, du fait de la grande stabilité de l’anion C6F5—: ce processus possède une énergie d’activation évaluée à 19,03 kcal.mol-‐1 (schéma 2.73). Cette énergie d’activation est bien plus basse que l’énergie d’activation nécessaire pour obtenir à partir du complexe BN,pF-I l’état de transition d’addition oxydante à quatre centres qui aboutirait in ]ine au produit de couplage (d’activation égale à 25,64 kcal.mol-‐1, voir schéma 2.72.a). Cette barrière est également plus basse que l’énergie d’activation nécessaire pour passer du complexe BN,pF-I au produit de couplage via l’état de transition d’addition oxydante à trois centres, TS’1,NpF-I (via AN et B’N,pF-I, voir schémas 2.72.a et 2.72.b), processus d’énergie globale valant 29,08 kcal.mol-‐1.
A
BN,pF-I
TS3,N,pF-I
EFN,pF-I
AN
AN
(III)Schéma 2.73: réduction par sphère interne du substrat C6F5I induite par liaison halogène; tous les complexes sont des singulets de spin, sauf TS3,N,pF-I et FN,pF-I qui sont des triplets.
La réduction de C6F5I par le complexe anionique AN est facilitée par la formation de la liaison halogène, le complexe BN,pF-I ainsi créé pouvant donner lieu à une réaction de transfert PARTIE II - CHAPITRE II
131 Le passage d’un état triplet à un état singulet au sein d’un acte élémentaire pour un complexe de métal de transition est assez aisé du fait des termes de couplages spin-‐orbitaux importants qui existent dans ces composés (le couplage spin-‐orbite étant proportionnel pour un élément de numéro atomique Z à Z4). La conséquence du couplage spin-‐orbite est de permettre l’interconversion entre différentes multiplicités de spin pour une entité donnée.
électronique par sphère interne. Ceci aboutit à la formation de l’anion C6F5— et d’un complexe de cuivre (III), FN,pF-I, via l’état de transition TS3,N,pF-I.
L’anion C6F5— peut alors déprotonner tout acide présent dans le milieu (CsHCO3, ...) pour donner le produit de réduction C6F5H observé expérimentalement. Le faible taux de conversion observé lors de l’utilisation de C6F5I comme substrat (19% au total, voir tableau 2.44) laisse à penser que ce processus de réduction de la liaison C-‐I aboutit également à une destruction du catalyseur. On peut en effet imaginer que le complexe FN,pF-I (voir schéma 2.73) génère par décomposition différents composés du cuivre (II), sans régénérer de cuivre (I) catalytique. En résumé, le fort pouvoir oxydant de C6F5I ne permet pas de maintenir une charge catalytique en Cu(I) suf]isamment élevée et aboutit à une oxydation de ce dernier.
Il est à noter que, formellement, la réduction de C6F5I assistée par liaison halogène est analogue à la transmétallation de Reich (schéma 2.59) au cours d’un échange iode-‐lithium: en effet, l’iodoarène initial est réduit en carbanion dans les deux cas, alors que l’entité nucléophile venant se complexer sur l’atome d’iode du substrat de départ est quant à elle oxydée (oxydation de l’organolithien en iodoalcane dans l’échange lithium-‐iode, oxydation du complexe AN (Cu(I)) en complexe FN,pF-I (Cu(III)) dans la réduction assistée par liaison halogène).
Ainsi, C6F5I étant engagé quantitativement dans la formation du complexe BN,pF-I, sa réduction assistée par liaison halogène possède une énergie d’activation bien inférieure aux énergies d’activation d’additions oxydantes qui aboutiraient ensuite à la formation du produit de couplage.
Ceci est résumé sur le schéma suivant:
N Cu Cy H1 O1 O2 (I) N Cu Cy H1 O1 O2 (I) I C1 AN BN,pF-I + C6F5I F5 rapide non renversable réduction C6F5H
via addition oxydante à quatre centres puis élimination réductrice
C6F5NHCy
via addition oxydante à trois centres puis élimination réductrice
Schéma 2.74: additions oxydantes à trois et quatre centres inhibées par réduction de C6F5I.
En conclusion, si la liaison halogène peut servir à promouvoir l’addition oxydante intramoléculaire comme dans le cas où PhI est utilisé comme substrat, elle est une source de désactivation du processus de couplage lorsqu’elle aboutit à une stabilisation trop importante de l’haloarène. D’autres processus (par exemple la réduction de la liaison C-‐I dans le cas de C6F5I) sont alors prépondérants pour aboutir à une destruction du substrat et/ou du catalyseur.
associée à la liaison C-‐Hal de moins en moins développée sur l'atome d'halogène, et donc à une densité positive de plus en plus faible sur l’atome d’halogène.
Le schéma 2.75.a montre l’évolution de la répartition de charge pour différents haloarènes: on s’aperçoit que plus le cycle aromatique est appauvri (cas du per]luoroiodobenzène), plus la densité positive q(Hal) est importante sur l’halogène; de même, plus l’atome d’halogène est bas dans la classi]ication, plus la densité positive portée par ce dernier est importante.
Ceci est con]irmé par le calcul de la surface d’énergie potentielle pour les mêmes haloarènes (schéma 2.75.b). Br Cl F q(Hal) / |e| +0,059 +0,006 -0,347 I F5 +0,141 I +0,262
Schéma 2.75.a; la charge portée par le cycle aromatique est égale à l’opposé de la charge portée par l’halogène. C6F5I PhI PhBr PhCl PhF I I Br Cl F densité de charge unité: |e| / A°3 0 -0,06 bohr3
Schéma 2.75.b: surface d’énergie potentielle calculée pour différents haloarènes (isocontour à 10%)
La densité de charge globale portée par l’atome d’halogène résulte donc de la compétition entre deux phénomènes:
- l’existence de sept électrons de valence dans son voisinage, qui tend à donner une densité électronique négative;
- l’existence du «trou sigma», qui tend à apporter une contribution positive.
Les deux contributions existent pour tous les halogènes: pour les iodoarènes et, dans une moindre mesure, les bromoarènes, le trou sigma est relativement important et diffus (permettant même d’avoir une densité globale positive sur l’halogène), tandis que cette contribution électropositive est plus faible sur les chloroarènes et ]luoroarènes.
Ainsi, plus l'halogène est situé haut dans le tableau périodique, plus sa zone électrophile sera petite: le ]luor donnera par exemple des liaisons halogènes avec de petits nucléophiles (cf schéma 2.76.a) tandis que l'iode donnera des liaisons halogènes avec des nucléophiles plutôt diffus (schéma 2.76.b).132
Ph I
Nu
—|Nu
Ph F
Nu
—|Nu
a) b)
Schéma 2.76: interactions entre a) l’orbitale HOMO (en blanc) d’un nucléophile peu diffus (peu polarisable) et le trou sigma de PhF (électrophile dur, en blanc); b) l’orbitale HOMO (en blanc) d’un nucléophile diffus et le trou sigma de PhI (électrophile diffus, en blanc) . Les doublets non
liants des halogènes sont représentés en gris.
Dans le cas étudié ici où le nucléophile est un atome d'azote chargé négativement, donc un nucléophile plutôt diffus, les liaisons halogènes sont relativement fortes dans le cas de dérivés iodés; elles le sont moins dans le cas de dérivés bromés. Aucune liaison halogène n'a été trouvée par le calcul entre le complexe [(ket)CuI-‐NHCy]— et un chlorure aromatique.
Les ]lux de transfert de charge du complexe AN vers les différents haloarènes étudiés lors de la formation du complexe à liaison halogène sont reportés dans le tableau 2.77 ci-‐dessous: on s’aperçoit que plus l’halogène étudié est polarisable, plus la liaison halogène est forte et s’accompagne d’un transfert de densité électronique élevé du complexe AN vers le substrat.
Tableau 2.77: stabilisation ΔE (kcal.mol-1) et qlux de transfert de charge vers l’haloarène (unité |e|) induite par la complexation halogène entre AN et différents halogénures aromatiques.
♦ IV.1.c.2.ii) Réactivité du bromobenzène.
Toutes les structures DFT présentées ici ont pour état fondamental un état singulet de spin.
Une première remarque importante est que si le processus d’activation par transfert d’électron en sphère externe (SET) a été exclu sur des considérations électrochimiques pour l’iodobenzène (schéma 2.54) car ce dernier avait un potentiel de réduction trop négatif, ce processus est encore plus défavorable pour le bromobenzène car ce dernier est plus dif]icilement réductible que son homologue iodé: E (PhBr) = -‐2,9 V vs ECS.
AN BN,Br TS1,N,Br CN TS2,N DN
Schéma 2.78: couplage via activation du substrat (PhBr) par la formation d’une liaison halogène.
Le complexe BN,Br évolue ensuite vers la formation d’un état de transition d’addition oxydante à quatre centres, processus d’énergie d’activation globale égale à 23,69 kcal.mol-‐1. Cette énergie est légèrement supérieure à celle calculée pour l’iodobenzène (schéma 2.62).
L’addition oxydante à quatre centres aboutissant à l’expulsion de l’ion bromure, le complexe de cuivre (III) intermédiaire, CN, est le même que celui obtenu à partir de PhI (schéma 2.62). Ce dernier est le siège d’une élimination réductrice rapide et très exothermique aboutissant à la formation du produit de couplage PhNHCy complexé au cuivre (I) régénéré (produit DN).
L’addition oxydante classique à trois centres a également été calculée pour PhBr. Le résultat est là encore similaire au calcul effectué pour PhI (schéma 2.66): la réaction débute par la formation endothermique d’un π-‐complexe B’N,Br entre la liaison C=C adjacente à l’atome de brome et le centre métallique (schéma 2.79):
A
NB'
N,BrTS'
1,N,BrC
NTS
2,ND
NE
N,BrTS
diss,N,BrSchéma 2.79: couplage via activation du substrat (PhBr) par la formation d’un π-complexe.
Le complexe B’N,Br évolue ensuite vers l’état de transition à trois centres TS’1,N,Br, l’énergie d’activation globale de l’addition oxydante étant de 22,5 kcal.mol-‐1. Le complexe anionique de cuivre (III) EN,Br obtenu après addition oxydante fournit, via un processus de dissociation de l’ion bromure et une élimination réductrice rapides devant l’addition oxydante (5,18 kcal.mol-‐1
d’activation pour les deux processus), le produit de couplage PhNHCy complexé au cuivre (I) régénéré (DN). Ce processus d’élimination réductrice est thermodynamiquement très favorisé et s’accompagne d’une stabilisation de 44,24 kcal.mol-‐1 (passage de CN à DN).
Les deux mécanismes d’activation calculés pour le bromobenzène (additions oxydantes à quatre et trois centres) sont assez similaires puisqu’ils commencent tous deux par une étape endothermique (formation de BN,Br dans le cas du mécanisme à quatre centres, formation de B’N,Br dans le cas du mécanisme à trois centres), et ont tous deux des énergies d’activation voisines (23,69 kcal.mol-‐1 pour le mécanisme à quatre centres, 22,5 kcal.mol-‐1 pour le mécanisme à trois centres).
Ces deux mécanismes sont donc tous deux envisageables pour l’activation de la liaison C-‐Br. Il est également important de préciser qu’aucun mécanisme d’isomérisation directe entre BN,Br et B’N,Br n’a pu être déterminé par le calcul (voir schéma 2.69 analogue pour les complexes BN,I et B’N,I).
Ainsi, le complexe BN,Br mène sélectivement à une addition oxydante à quatre centres, de même que le complexe B’N,Br mène sélectivement à une addition oxydante à trois centres.
L’absence de formation d’un complexe stable en début de réaction, comme c’est le cas pour PhI (formation du complexe BN,I), qui permettrait de servir de «tremplin» à une addition oxydante intramoléculaire, associée à des énergies d’activation légèrement plus élevées, permet d’expliquer la plus faible réactivité de PhBr dans la réaction catalytique étudiée (tableau 2.44, entrée 3).
♦ IV.1.c.2.iii) Réactivité du chlorobenzène.
Toutes les structures DFT présentées ici ont pour état fondamental un état singulet de spin.
Le chlorobenzène se réduisant à un potentiel encore plus négatif (plus bas que -‐3 V) que l’iodo-‐ et le bromobenzène, le mécanisme d’activation par sphère externe (SET) entre AN et PhCl (voir schéma 2.54 analogue pour PhI) est encore moins envisageable pour ce substrat.
Comme précisé précédemment, aucune liaison halogène n’a été mise en évidence entre le chlorobenzène et le complexe anionique A . Ainsi, la seule voie d’activation de PhCl qui puisse PARTIE II - CHAPITRE II
A
B'
N,ClTS'
1,ClE
N,ClC
NTS
2,NTS
diss,N,ClD
NAN
Schéma 2.80: couplage via activation du substrat (PhCl) par la formation d’un π-complexe suivie d’une addition oxydante à trois centres
Dans le cas des iodoarènes (resp. bromoarènes), la formation d’un complexe à liaison halogène stabilisé (resp. légèrement déstabilisé) permet d’amorcer le cycle catalytique par une réaction de complexation bimoléculaire rapide, ce qui permet ensuite à la réaction d’addition oxydante de se dérouler par un processus intramoléculaire. Ce processus est cinétiquement en compétition avec l’addition oxydante classique à trois centres pour laquelle la précomplexation initiale est une réaction bimoléculaire lente (formation d’un π-‐complexe). La formation de ce π-complexe est particulièrement lente dans le cas des chloroarènes non activés comme PhCl puisque l’énergie d’activation de l’étape de formation de B’N,Cl a été évaluée à 14,81 kcal.mol-‐1.
Deux facteurs peuvent ainsi expliquer le manque de réactivité de PhCl dans la réaction d’Ullman étudiée:
-‐
l’absence de liaison halogène stabilisante entre PhCl et le complexe anionique réactif AN, et donc l’absence d’une addition oxydante assistée par liaison halogène;-‐
une étape d’activation bimoléculaire (formation de B’N,Cl) défavorisée menant à l’addition oxydante à trois centres, d’énergie d’activation globale plus élevée (26,04 kcal.mol-‐1) que pour les autres haloarènes.IV.1.c.3) Conclusion: rôle de la liaison halogène dans le couplage C-‐N
La liaison halogène peut ainsi servir de «tremplin» à l’activation de certains haloarènes par addition oxydante à quatre centres intramoléculaire; néanmoins, si cette interaction est trop forte, elle aboutit à une désactivation du processus de couplage, par exemple par réduction de l’haloarène par le complexe anionique réactif, comme c’est le cas pour C6F5I.
Des études systématiques par modélisation pourraient être particulièrement intéressantes a]in de déterminer s’il peut exister un jeu de réactifs (catalyseur et substrat) pour lesquels la liaison halogène mise en évidence précédemment soit suf]isamment forte pour permettre une PARTIE II - CHAPITRE II
activation à quatre centre favorisée devant l’activation à trois centres, tout en étant suf]isamment faible pour éviter d’autres processus comme la réduction de l’haloarène.
Il serait également très intéressant, dans un projet davantage axé sur la synthèse et le design de ligands, de pouvoir mettre en évidence expérimentalement cette liaison halogène, par exemple en synthétisant un composé possédant une liaison halogène intramoléculaire et pour lequel l’addition oxydante serait stériquement bloquée.
Un exemple d’architecture de ce type serait le suivant:
Cu
IO
O NRR'
I
La liaison halogène pourrait ainsi être caractérisée complètement, par spectroscopie ou par cristallisation d’un tel composé avec un contre-‐cation bien choisi.
IV.2) Etude de l’arylation de l’hydroxyde de césium
Cette étude a été réalisée en collaboration avec le groupe de Marc Taillefer (ENSCM, Montpellier).
IV.2.a) Réaction étudiée
Il s’agit du système développé par le groupe de Taillefer (schéma 2.81) permettant l’arylation de CsOH par différents iodoarènes, en présence d’une charge catalytique de cuivre (I) et d’un ligand 1,3-‐dicétonate (le TMHD, ou 2,2,6,6-‐tétraméthylheptane-‐3,5-‐dione, noté ket’H). L’avantage de ce protocole est que, selon la base employée, le produit majoritaire isolé est un dérivé du phénol (cas où CsOH joue lui aussi le rôle de base), ou un biaryléther (cas où Cs2CO3 est employé comme base additionnelle).
IV.2.b) Mécanisme de formation du phénol
IV.2.b.1) Résultats expérimentaux
Toutes les expériences ci-dessous ont été réalisées dans le DMF à température ambiante.
Schéma 2.82: cyclovoltammogrammes, à 22°C, sur électrode de carbone vitreux (d = 1mm) dans le DMF à la vitesse de balayage de 200 mV.s-1, des solutions suivantes:
a) [ket’H] = 40 mM; b) [ke’tH] = 40 mM + [CsOH] = 100 mM;
c) addition de [CuI] = 10 mM à la solution b; d) addition de [CsOH] = 415 mM à la solution c.
Cette étude est similaire à celle présentée pour le système de carboamination (IV.1.b): le ligand ket’H a tout d’abord été caractérisé par son pic de réduction irréversible (Ep(R1) = -‐2,23 V; schéma 2.82.a); l’anion ket’— a ensuite été accumulé par ajout d’un excès d’hydroxyde de césium à une solution de ligand ket’H (schéma 2.82.b) et caractérisé par son pic d’oxydation irréversible (Ep(O1) = + 0,51 V).
Le complexe [(ket’)CuII]— a été formé par ajout d’un défaut d’iodure cuivreux CuI à une solution contenant le ligand ket’— (ratio CuI:ket’— égal à 1:4, voir schéma 2.82.c) et caractérisé par son potentiel d’oxydation Ep(O2) = + 0,94 V). Ce complexe a été également caractérisé en RMN 1H.
Formation du complexe [(ket’)CuII]— en conditions stœchiométriques:
Lorsque la formation du complexe [(ket’)CuII]— est effectuée dans des conditions stœchiométriques ([ket’H] = [CsOH] = [CuI] = 40 mM), le voltammogramme ci-‐dessous est obtenu après 1h30 (schéma 2.83).
Schéma 2.83: voltammogramme, à 22°C, sur électrode de carbone vitreux (d = 1mm) dans le DMF à la vitesse de balayage de 200 mV.s-1, d’une solution contenant [ket’H] = [CsOH] = [CuI] = 40 mM
Le voltammogramme ci-‐dessus indique que, en conditions stœchiométriques, le ligand déprotonné ket’— et le complexe [(ket’)CuII]— coexistent (la quantité de CuI non complexé étant oxydée sensiblement au même potentiel que ket’—, les deux pics d’oxydations se recouvrent). Ceci explique pourquoi le ligand utilisé dans ce type de couplage est toujours en large excès par rapport au métal: dans la réaction d’arylation étudiée ici, pour une charge catalytique molaire de 10% en métal, une quantité molaire de 50% de ligand est ajoutée a]in de convertir quantitativement le précatalyseur CuI en complexe [(ket’)CuII]— (schéma 2.84).