Les complexes de palladium 163et 183 (Schéma III-37) ont été envoyés à l’Université de Rennes 1 dans le cadre de notre collaboration (projet ANR Alcatras) avec le Dr. H. Doucet et le Dr. J.-F. Soulé.
Schéma III-37 Complexes de palladium synthétisés 163 et 183.
Ainsi, ils ont pu être utilisés dans la réaction directe d’arylation de fluoroarènes catalysée au palladium par Mlle Xinzhe Shi (doctorante). Doucet, Soulé et al. ont montré que l’ajout de groupements électro-attracteur ou électro-donneur en position C3 du fluoroarène avait une influence sur la régiosélectivité de la réaction.106 En effet, lors de la présence de substituants électro-attracteurs comme le chlore ou le brome, une régiosélectivité de l’arylation en position
entrée R1 R2 [PdCl(C3H5)(dppb)] (mol%) rendement (%) 1 Cl 4-CN 2 51 2 Cl 4-CHO 2 48 3 Cl 4-NO2 2 51 4 Cl 3-CN 5 46 5 Br 4-CN 4 69 6 Br CHO 4 41
Tableau III-6 Résultats obtenus à partir de complexes [Pd]/L dans les réactions d’arylation de fluoroarènes sélectives portant des groupements életro-attracteurs.
Une quantité de complexe de palladium [PdCl(C3H5)dppb)] de 2 mol% est généralement utilisée pour la réaction d’arylation excepté pour quelques exemples où une quantité de 4 et 5 mol% a été ajoutée. Des rendements moyens à bons sont obtenus lors de la présence de substituants électro-attracteur sur le fluoroarène.
Par contre, lors de la présence de substituants électro-donneur en position C3 du fluoroarène, la réaction est beaucoup moins favorable avec la formation d’un mélange de régioisomères (Schéma III-38).
Schéma III-38 Réaction d’arylation du 3-méthoxyfluoroarène non-sélective.
Ces régioisomères sont formés par couplage C–C du fluoroarène et de la 5-bromopyrimidine en position C2 et C6 où la déprotonation des protons H les plus acides a eu lieu. Un faible rendement est obtenu avec un ratio 24:17.
Il serait donc très intéressant de favoriser la formation d’un de ces deux régioisomères en utilisant les complexes de ligands trifonctionnalisés synthétisés. En particulier, la présence de la fonction libre supplémentaire proximale du système palladium P/N hémilabile pourrait avoir un effet bénéfique.
Pour évaluer l’effet des ligands portant une phosphine, une amine et un acide carboxylique, les complexes 163 et 183 ont été utilisés dans la réaction d’arylation de 3-méthoxy-1-fluoroarène avec le 2-bromobenzonitrile en présence du carbonate de potassium dans le diméthylacétamide (Tableau III-7).
entrée Complexe [Pd]/L Température (° C) conversion (%) Sélectivité (Q-1:Q-2:Q-3) (%) 1 [Pd(MeCN)2Cl2] (2 mol%) / pivOH (10 mol%) 110 25 38:58:4 2 complexe 163 (2 mol%) 110 5 26:74:0 3 complexe 163 (2 mol%) 150 11 22:78:0 4 complexe 163 (10 mol%) 150 99* 23:77:0 5 complexe 183 (5 mol%) 150 49** 34:66:0
Tableau III-7 Résultats obtenus à partir de complexes [Pd]/L dans la réaction d’arylation de fluoroarènes. *le produit d’homocouplage Q-4 est observé avec un rendement de 80% et **Q-4 est observé avec un rendement de 30%.
Rappel :
Schéma III-39 Complexes de palladium synthétisés 163 et 183.
Cette réaction a donc tout d’abord été réalisée en présence du précurseur de palladium [Pd(CH3CN)2Cl2] (utilisé dans la synthèse des complexes 163 et 183) et de l’acide pivalique.
Ainsi, cette réaction contrôle va permettre de montrer l’effet des ligands trifonctionnels en comparaison aux ligands monofonctionnels.
Lors de l’utilisation du palladium(II) bis chlorure d’acétonitrile (2 mol%) et de l’acide pivalique (10 mol %) à 110 °C, une faible conversion de 25% est obtenue formant des régioisomères
Q-13 dans un ratio 38:58:4 respectivement (entrée 1, Tableau III-7). Ces régioisomères
correspondent au couplage C–C des réactifs en position C2, C6 et C4 (hypothèse car il n’a pas été isolé) respectivement. Les deux produits majoritaires obtenus sont Q-12 correspondant à la déprotonation des deux hydrogènes les plus acides de la molécule. Néanmoins, la sélectivité est décevante, avec une faible supériorité de la formation du bicyclique Q-2.
Le complexe 163 (2 mol%) est ensuite utilisé, dans les mêmes conditions de réaction que précédemment, en remplaçant le précurseur de palladium et l’acide pivalique. Une plus faible conversion de la réaction est obtenue d’une valeur de 5% mais une sélectivité de l’arylation de fluoroarène jamais observée avant a pu être montrée (entrée 2, Tableau III-7). En effet,
seulement les deux régioisomères Q-12 ont été formés dans un ratio 26:74, montrant une bonne sélectivité pour le couplage C–C en position C6 du fluoroarène.
Lors de l’augmentation de la température à 150 °C, une augmentation de la conversion de la réaction est également observée (11%, entrée 3, Tableau III-7). Néanmoins, elle reste faible mais la sélectivité observée précédemment est conservée lors de l’augmentation de température. Une légère hausse est même montrée avec un ratio 22:78 des composés bicycliques Q-12.
Il est clair que la robustesse du palladacycle formé est sans doute en cause et son ouverture à plus haute température aide à la réaction, même si cela reste très insuffisant.
Ensuite, l’augmentation de la quantité de catalyseur dans la réaction, en passant de 2 mol% à 10 mol%, permet d’augmenter significativement la conversion de la réaction (entrée 4, Tableau III-7). Mais la conversion de 99% conduit majoritairement (à 80%) à la formation d’un nouveau produit secondaire Q-4 qui est un produit d’homocouplage du bromure de phényle. La sélectivité de la réaction recherchée est conservée avec l’obtention d’un ratio 23:77 pour les composés bicycliques Q-12. L’utilisation du complexe 163 en tant que catalyseur dans cette réaction montre donc une réactivité limitée.
Lorsque le complexe 163 a été remplacé par le complexe 183, ne portant pas de groupements tertio-butyle sur le squelette ferrocénique, mais présentant un groupement riche en électrons sur le groupement aminoacide (Schéma III-39), à 5 mol% de catalyseur à 150 °C,
cela permet d’obtenir une conversion de la réaction de 49% mais le produit d’homocouplage
Q-4 est également observé avec un rendement de 30% (entrée 5, Tableau III-7). La sélectivité
obtenue montre la formation des composés bicycliques Q-12 avec un ratio 34:66 concluant à une diminution de la sélectivité lors de la présence du ligand ferrocénique encombré et ne possédant pas de groupements alkyle permettant de contrôler sa conformation. Ces résultats sont un échantillon des réactions catalytiques d’activation C–H et C–C nombreuses conduites par nos partenaires de Rennes et qui se sont révélées pour l’heure infructueuse.
Notre approche actuelle est d’étudier le mécanisme de la réaction par simulation théorique, afin de mieux cibler les ligands ferrocéniques et benzéniques susceptibles de permettre de meilleures réactivité et sélectivité dans ce type de réaction. Nous pensons que la grande diversité de ligands et de complexes développés dans le présent travail de thèse aidera à cet objectif.
Conclusion générale
Durant ces travaux de thèse, nous avons développé la synthèse de nouvelles familles de ferrocènes hybrides tétra-substitués possédant une conformation contrôlée par la présence de groupements tertio-butyle sur chaque anneau cyclopentadiényle entourant l’atome de fer. Ces familles polyfonctionnelles sont composées d’une phosphine et d’un acide de Brönsted (ou de sa base conjuguée).
Le développement d’une famille de ferrocènes P/CO2H portant ses groupements fonctionnels en position hétéroannulaire directement liés au squelette ferrocénique a été réalisé par voie de synthèse « divergente ». Les différents substituants sur la phosphine ont induit une plus grande sensibilité du composé à l’oxydation en fonction du caractère plutôt « électro-donneur » de ces substituants. L’étude du caractère électronique de la phosphine en mesurant la constante de couplage JSeP après sélénation du ferrocène 116 (PPh2/CO2H) a montré que la fonction acide n’a pas d’impact sur la phosphine. Le caractère électronique des hybrides ferrocèniques développés est généralement assez similaire à celui de la dppf qui est un ligand très souvent utilisé avec succès dans diverses réactions de catalyse homogène. Ainsi, la complexation d’un ligand phosphine ferrocénique acide avec un précurseur d’or et de palladium a permis, par exemple, d’obtenir le complexe d’or 131 et le complexe de palladium 132 (Schéma 1), typiques des modes de coordination mono- ou bidentes envisageables.
Schéma 1 Structures de DRX des complexes 131 et 132.
Ainsi, à l’état solide, une coordination P-monodente du ligand acide (PPh2/CO2H) a été observée pour le complexe d’or 131 avec une géométrie linéaire de l’Au(I) ; le complexe de
palladium 132 formé adopte pour sa part une géométrie plan carré, avec coordination P, O-bidente du ligand acide (Pi-Pr2/CO2H) formant un complexe de Pd(II) bis-ligandé. Les études en application catalytique des ligands phosphine ferrocénique acide dans diverses réactions d’activation/fonctionnalisation C–H d’hétéroaromatiques n’a pas montré, pour l’heure d’effet suffisamment positifs en réactivité ou en sélectivité des réactions choisies.
Les ferrocènes acides synthétisés ont été mis en réaction pour former des ferrocènes amido sulfonates apportant un caractère plus polaire dû aux groupements amide et sulfonate. La fonction sulfonate portant un contre ion triéthylammonium est éloignée du squelette ferrocénique par la présence d’un amide lié au Cp. Le développement de cette nouvelle famille de ferrocène a permis d’observer une importante diminution de la sensibilité à l’oxydation de la phosphine et donc du ferrocène en présence des mêmes substituants plutôt « électro-donneurs » sur la phosphine. La complexation du ligand 134 (PPh2/amido sulfonate) avec le dimère de chlorure d’allyle palladium a formé le complexe 137 montrant une coordination P, O-bidente du ligand avec le palladium par la phosphine et l’oxygène du sulfonate et la formation originale d’un palladacycle à 10 chainons (Schéma 2).
Schéma 2 Structures de DRX du complexe 137.
La coordination du palladium avec l’oxygène du sulfonate et non celui de l’amide est inattendue aux vues des complexes de palladium déjà existants dans la bibliographie pour ce type de ferrocène. Ainsi, en termes de perspective ce projet continue avec l’étude de la chimie de coordination de ce complexe et de son analogue composé du ligand PCy2/Amido Sulfonate pour les comparer aux complexes similaires ne présentant pas de groupements tertio-butyle sur le
squelette ferrocénique et les utiliser dans une réaction d’arylation C2 sélective CH d’indoles dans l’eau.
La troisième famille de ferrocènes (P, amine, CO2H) développée durant cette thèse a été formée à partir du ferrocène aldéhyde et d’acides aminés par amination réductrice pour introduire le groupement aminoacide. La fonction acide est éloignée du squelette ferrocénique tout en gardant un site plutôt « dur » proche du Cp avec la présence de l’amine portant un doublet non-liant. Différents acides aminés ont été introduits sur le ferrocène : la glycine, la valine, la 2-méthylalanine, la sarcosine et l’acide anthranilique. Ces acides aminés portent des substituants plus ou moins encombrés en position α de l’acide pouvant engendrer des modes de coordination variés lors de la complexation avec un métal de transition et cela est également le cas pour la sarcosine qui introduit une amine tertiaire proche du squelette ferrocénique. La complexation de ces ligands ferrocène avec un métal de transition a montré la formation de complexes de palladium présentant une coordination P, N-bidente du ligand ferrocénique (Schéma 3, ligands acides et esters) et la formation de complexes d’or(I) adoptant une géométrie linéaire avec une coordination P-monodente du ligand ester.
Schéma 3 Représentation d’un complexe de palladium tétracoordonné.
L’utilisation de ces ligands dans la réaction d’arylation du 3-méthoxy-1-fluoroarène avec le 2-bromobenzonirile a montré une bonne sélectivité pour le couplage C–C en position C6 du fluoroarène en présence du complexe 163 (PPh2, Amine, CO2H) mais la réactivité reste limitée avec une faible conversion obtenue.
Une approche théorique est actuellement envisagée afin de mieux comprendre le mécanisme de la réaction et de cibler les ligands ferrocéniques qui permettraient d’augmenter la sélectivité et la réactivité dans ce type de réaction.