A-Réaction de Wacker et eau en tant que nucléophile

Développé par la compagnie du même nom, le procédé Wacker permet la production en quantité industrielle d’acétaldehyde à partir de l’éthylène, faisant intervenir des catalyseurs de palladium et de cuivre, en conditions aérobies.

Le mécanisme actuellement admis est le suivant (Schéma 81): dans un premier temps, le complexe de palladium(II) tétrachloropalladate est complexé par l’éthylène, formant le complexe 2

107 Pour des revues récentes, voir : a) Kočovsky, P. Bäckvall, .-E. Chem. Eur. J. 2015, 21, 36. b) McDonald, R. I.; Liu, G.; Stahl, S. Chem. Rev. 2011, 111, 2981.

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éthylène-Pd A correspondant. Une molécule d’eau va alors se complexer au palladium, formant l’intermédiaire B, qui va ensuite subir une hydroxypalladation par l’ajout d’une deuxième molécule d’eau, donnant l’intermédiaire _{-alkylpalladium C. Une étape de déshydropalladation conduit à}

l’intermédiaire 2

D. Ce dernier subit alors une hydropalladation menant à un nouvel intermédiaire

-alkylpalladium E. Une nouvelle étape de déshydropalladation permet d’obtenir l’acétaldéhyde et un hydrure de palladium qui, par élimination réductrice, génère un Pd(0). Ce Pd(0) est alors réoxydé en tétrachloropalladate(II) par deux équivalents de CuCl2. Le CuCl obtenu est à son tour réoxydé en CuCl2 par le dioxygène. Dans les conditions industrielles classiques, une faible concentration en ions chlorure (<1M) est utilisée afin d'éviter la formation de sous produits chlorés.

Schéma 81 : Mécanisme du procédé Wacker.

Bien que connue depuis longtemps, cette réaction fait encore de nos jours l’objet de nombreuses études. La stéréochimie de l’étape d’hydroxypalladation étant un mystère, de nombreuses études cinétiques, théoriques^107a,108 et expérimentales ont été réalisées par plusieurs groupes.¹⁰⁷ L’absence de chiralié du produit obtenu, l’acétaldéhyde, en est la principale cause. Tandis que certains résultats laissent supposer que l’hydroxypalladation serait cis, d’autres laissent penser le contraire.

Henry a tout d’abord réalisé des études cinétiques amenant à supposer que l’étape d’hydroxypalladation ne pouvait pas avoir lieu via une addition anti.¹⁰⁹

108

Pour une explication détaillée des différents calculs voir ref. 107a p.41-43.

109 a) Henry, P. M. J. Am. Chem. Soc. 1964, 86, 3246. b) Keith, J. A.; Henry, P. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 9038.

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D’autres équipes ont ensuite réalisé des études utilisant des conditions légèrement différentes de celles classiquement utilisées lors de l’oxydation de Wacker afin de déterminer la stéréochimie du produit obtenu, supposant que ces changements de conditions n’influeraient pas sur la stéréochimie de l’hydroxypalladation. Dans tous les cas, une trans-hydroxypalladation semble avoir lieu.

Il a par exemple été montré que dans des conditions faisant appel à une haute concentration en ions chlorure et en CuCl2, un sous produit chloré, la chlorhydrine, est obtenu. A de telles concentrations et utilisant le substrat deutéré 147, Bäckvall a pu déterminer que le produit thréo 148 était obtenu, provenant d’une addition anti et donc d’une trans-hydroxypalladation (Schéma 82).¹¹⁰

Schéma 82 : Mécanismes possibles lors de l’oxydation de Wacker avec une grande concentration en ions chlorures.

Cependant, des travaux plus récents réalisés une fois encore par Henry,¹¹¹ et confirmés par Goddard, ¹¹² ont montré que le changement des conditions classiques modifiait la stéréochimie de l’hydroxypalladation. D’après ces résultats, une cis-hydroxypalladation aurait lieu lors de l’utilisation d’une faible concentration en ions chlorure, tandis qu’une trans-hydroxypalladation aurait lieu dans le cas inverse.

Toutefois, des travaux expérimentaux et théoriques menés il y a peu par Sigman,¹¹³ Stirling et Ujaque¹¹⁴ laissent à nouveau planer le doute.

110 a) Bäckvall, J.-E.; Åkermark, B.; Ljunggren, S. O. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1977, 264. b) Bäckvall, J.-E.; Åkermark, B.; Ljunggren, S. O. J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 2411.

111

a) Gregor, N.; Zaw, K.; Henry, P. Organometallics, 1984, 3, 1251. b) Dumlao, C. M.; Francis, J. W.; Henry, P. M. Organometallics, 1991, 10, 1400. c) Francis, J. W.; Henry, P. M. Organometallics, 1991, 10, 3498. d) Hamed, O.; Henry, P. M.; Thompson, C. J. Org. Chem. 1999, 64, 7745.

112

Keith, J. A.; Nielsen, R. J.; Oxgaar, J.; Goddard, W. A. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 12342.

113 Anderson, B. J.; Keith, J. A.; Sigman, M. S. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 11872.

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A l’heure actuelle, aucune des deux voies n’a pu être totalement écartée ou validée, mais il apparait évident que les conditions réactionnelles présentent une importance capitale quant à la stéréochimie de l’hydroxypalladation.

Le procédé Wacker a également été appliqué à d’autres alcènes, permettant la formation de méthyl-cétones, suivant généralement une régiosélectivité de type Markovnikov (Schéma 83).¹¹⁵ On parle alors de la variation de Tsuji. Un nombre important de fonctions sont tolérées, telles que les aldéhydes, les alcools, les esters, les éthers, les acides carboxyliques, les acétals, les halogénures, … Grâce à cette réaction, les alcènes terminaux peuvent alors être considérés comme des méthyl-cétones « masquées ».

Schéma 83 : Réaction de Wacker appliquée aux alcènes suivant une régiosélectivité de type Markovnikov.

L’un des inconvénients du procédé Wacker est, comme nous l’avons vu, la formation de sous produits chlorés, tels que la chlorhydrine (Schéma 82). D’autres conditions ont alors été développées, faisant intervenir des oxydants à base de BQ, de manganèse, de péroxydes, d’acétate de cuivre, etc. L'équipe de Ding a par exemple décrit l'oxydation du styrène 151, utilisant des ETMs comme système oxydant (Schéma 84).¹¹⁶ La BQ est introduite en quantité catalytique, et est à son tour oxydée par le NO2 provenant de l’oxydation aérobie du monoxyde d'azote. Ce dernier est quant à lui obtenu par réaction de l'acide perchlorique et du nitrite de sodium.

Schéma 84 : Alternative à l’utilisation de chlorure de cuivre lors du procédé Wacker.

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a) Magnus, P. D.; Nobbs, M. S. Synth. Commun. 1980, 10, 273. b) Pauley, D.; Anderson, F.; Hudlicky, T. Org.

Synth. 1989, 67, 121.

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La présence d’un hétéroatome en position allylique peut influencer la régiosélectivité. En 1995, Kang a en effet montré que, dans les conditions de Wacker classiques, les alcools allyliques et leurs dérivés menaient à un mélange non séparable de cétone et d’aldéhyde (Schéma 85).¹¹⁷

Schéma 85 : Réaction de Wacker non régiosélective d'alcool allyliques.

De ce fait, des conditions particulières ont été mises au point afin de permettre la formation sélective de cétones à partir de substrats comportant des hétéroatomes. Sigman a en effet rapporté l’utilisation du ligand oxazoline Quinox lors de l’oxydation régiosélective de dérivés d’alcools allyliques, où seuls les produits Markovnikov sont ainsi obtenus (Schéma 86).¹¹⁸

Schéma 86 : Oxydation de Wacker régiosélective de dérivés d’alcools allyliques.

Ceci étant, des réactions présentant une régiosélectivité de type anti-Markovnikov ont également été décrites, permettant ainsi la synthèse sélective d’aldéhydes, et ce à partir de substrats ne possédant pas d’hétéroatomes.¹¹⁹ Grubbs a par exemple rapporté l’oxydation sélective du styrène 151 est de ses dérivés en aldéhydes 158 en utilisant un solvant atypique, à savoir le tBuOH qui s’est révélé essentiel pour avoir cette sélectivité (Schéma 87).¹²⁰

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Kang, S.-K. ; Jung, K.-Y.; Chung, J.-U.; Namkoong, E.-Y.; Kim, T.-H. J. Org. Chem. 1995, 60, 4678.

118 Michel, B. W.; Camelio, A. M.; Cornell, C. N.; Sigman, N. S. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6076.

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Dong, J. J.; Browne, W. R.; Feringa, B. L. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 734.

120

a) Teo, P.; Wickens, Z. K.; Dong, G.; Grubbs, R. H. Org. Lett. 2012, 14, 3237. b) Dong, G.; Teo, P.; Wickens, Z. K.; Grubbs, R. H. Science, 2011, 333, 1609. c) Wickens, Z. K.; Morandi, B.; Grubbs, R. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 11257. d) Wickens, Z. K.; Skakuj, K.; Morandi, B.; Grubbs, R. H. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 890.

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Schéma 87 : Régiosélectivité de type anti-Markovnikov permettant l’accès aux aldéhydes.

Les auteurs suggèrent la formation d’un intermédiaire vinyl éther 160 qui est ensuite converti en aldéhyde 158 lors d’une hydrolyse acide. Cette dernière est permise par l’acide généré au cours du mécanisme. Pour des raisons stériques, la formation de l’éther vinylique linéaire serait favorisée, permettant de ce fait la régiosélectivité anti-Markovnikov obtenue lors de cette réaction (Schéma 88).

Schéma 88 : Régiosélectivité anti-Markovnikov de la réaction de Wacker ayant lieu via un intermédiaire vinyl éther.