Rupture de liaison C-H et formation du produit par β-H élimination

1. Activation d’insaturations par des complexes métalliques électrophiles

Les complexes métalliques électrophiles sont susceptibles de réagir avec des nucléophiles de type π (alcènes, alcynes, arènes). Le complexe possédant un ligand π ainsi formé peut alors évoluer soit par insertion-1,2 du ligand X sur l’oléfine (voie A, Schéma A-18) ou bien par addition nucléophile (généralement en anti du complexe métallique) si un nucléophile est présent dans le milieu (voie B, Schéma A-18). Le complexe alkyle ainsi formé conduit, après β-H élimination, à un hydrure métallique qui est ensuite retransformé en complexe de départ. [MTX] [MTX] [MTH] X [MT] Insertion-1,2 Nu - X- [MT] Nu -H élimination Nu X Addition nucléophile Voie B Voie A

Schéma A-18 : Mécanismes d'activation électrophile d'insaturations

Un exemple de ce type de réaction procédant par insertion-1,2 (voie A) est la réaction de Mizoroki-Heck33

qui permet le couplage d’un alcène et d’un halogénure ou d’un triflate catalysé par un complexe de palladium pour conduire à l’alcène fonctionnalisé. Par exemple, le triflate de 2-naphtyle réagit avec l’acétamide de N-vinyle en présence de 1,5% de tris(dibenzylidèneacétone)dipalladium(0), de 3% de 1,1'-bis(diphénylphosphino)ferrocène (dppf) et de diisopropyléthylamine (DIPEA) en 1h dans le dioxane à 85°C pour conduire à l’alcène substitué (Schéma A-19).34

33

a) R. F. Heck, J. Am. Chem. Soc. 1968, 90, 5518. b) T. Mizoroki, K. Mori, A. Ozaki, Bull. Chem. Soc. Jpn. 1971, 44, 581. Revues : c) A. de Meijere, F. E. Meyer, Angew. Chem. Int. Ed. 1995, 33, 2379. d) W. Cabri, I. Candiani, Acc. Chem. Res. 1995, 28, 2. e) G. T. Crisp, Chem. Soc. Rev. 1998, 27, 427. f) I. P. Beletskaya, A. V. Cheprakov, Chem. Rev. 2000, 100, 3009. g) E. M. Beccalli, G. Broggini, M. Martinelli, S. Sottocornola, Chem.

Rev. 2007, 107, 5318.

34

Partie A. Formation de liaisons C-C et C-Hét via la rupture d’une liaison C-H métallocatalysée

32

Schéma A-19 : Exemple de réaction de Mizoroki-Heck

Dans cet exemple, le complexe électrophile est généré par addition oxydante de palladium(0) dans le triflate aromatique (Schéma A-20). Après complexation de l’oléfine, insertion-1,2 (généralement en syn) et β-H élimination (généralement en syn également), le palladium(0) est régénéré par élimination réductrice d’acide triflique.

Schéma A-20 : Mécanisme de la réaction de Mizoroki-Heck

De nombreuses conditions ont été mises au point pour la réaction de Heck principalement à partir de complexes de palladium(0) ou de palladium(II), mais également d’autres métaux comme le nickel,35 le platine,36 le cobalt,37 le rhodium,37,38 l’iridium37,39 ou le ruthénium.40

2. Réactions initiées par hydrométallation

Les insaturations peuvent également réagir avec des hydrures métalliques pour conduire à des complexes alkyles susceptibles de s’additionner sur divers électrophiles (Schéma A-21). Après β-H élimination, le produit est libéré et l’hydrure métallique régénéré.

35 _{a) G. P. Boldrini, D. Savoia, E. Tagliavini, C. Trombini, A. U. Ronchi, J. Organomet. Chem. 1986, 301, C62.}

b) S. A. Lebedev, V. S. Lopatina, E. S. Petrov, I. P. Beletskaya, J. Organomet. Chem. 1988, 344, 253. c) S. Iyer, C. Ramesh, A. Ramani, Tetrahedron Lett. 1997, 38, 8533. d) S. Ma, H. Wang, K. Gao, F. Zhao, J. Mol. Catal. A 2006, 248, 17.

36

A. A. Kelkar, Tetrahedron Lett. 1996, 37, 8917.

37

S. Iyer, J. Organomet. Chem. 1995, 490, C27.

38 _{K. Fagnou, M. Lautens, Chem. Rev. 2003, 103, 169.}

39 _{T. Koike, X. Du, T. Sanada, Y. Danda, A. Mori, Angew. Chem. Int. Ed. 2003, 42, 89.}

40 _{a) T.-A. Mitsudo, M. Takagi, S.-W. Zhang, Y. Watanabe, J. Organomet. Chem. 1992, 423, 405. b) E. J.}

Farrington, J. M. Brown, C. F. J. Barnard, E. Rowsell, Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 169. c) Edward J. Farrington, Christopher F. J. Barnard, E. Rowsell, John M. Brown, Adv. Synth. Catal. 2005, 347, 185.

Partie A. Formation de liaisons C-C et C-Hét via la rupture d’une liaison C-H métallocatalysée

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Schéma A-21 : Mécanisme de fonctionnalisation de liaisons C-H initiée par hydrométallation

Par exemple, l’hydrométallation de la méthylvinylcétone par le dihydridotétrakis(triphénylphosphine)ruthénium(II) forme intermédiairement un énolate de ruthénium qui réagit avec le propanal pour conduire à l’aldol insaturé après β-H élimination (Schéma A-22).41

Schéma A-22: Formation d'un adduit de Baylis-Hillman initiée par hydrométallation

III.

Exemples de fonctionnalisation catalytique de liaisons C-H

A.

Enjeux

L’étude des différents mécanismes de rupture de liaisons C-H nous a permis d’aborder l’aspect réactivité de substrats hydrocarbonés. Or le développement de processus catalytiques permettant la fonctionnalisation de liaisons C-H nécessite de contrôler les chimiosélectivité, régiosélectivité et éventuellement stéréosélectivité de ces processus.

En effet, les problèmes de chimio- et régiosélectivité sont moindres dans les réactions de couplage classiques. Par exemple, dans la réaction de Suzuki-Miyaura42 _{qui permet le} couplage d’un dérivé halogéné ou d’un triflate avec un dérivé du bore (Schéma A-23), les substrats ne possèdent en général qu’une seule fonction réactive et le produit formé aucune.

41 _{S. Sato, I. Matsuda, M. Shibata, J. Organomet. Chem. 1989, 377, 347.} 42

Partie A. Formation de liaisons C-C et C-Hét via la rupture d’une liaison C-H métallocatalysée

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Schéma A-23 : Couplage de Suzuki-Miyaura

Au contraire, dans les réactions impliquant l’activation d’une liaison C-H, du fait de leur omniprésence dans les composés organiques, plusieurs d’entre elles peuvent être fonctionnalisées et il est donc nécessaire de mettre au point des processus régiosélectifs. De plus, les produits formés comportent eux-mêmes plusieurs liaisons C-H et peuvent donc également réagir si la réaction n’est pas chimiosélective. Afin de relever ces défis, différentes stratégies ont été employées comme la conception de catalyseurs sélectifs par un choix approprié du métal de transition et des ligands ou l’utilisation de ligands présents sur le substrat agissant comme groupe directeur (Schéma A-24).43

Schéma A-24: Activation dirigée d’une liaison C-H

Le contrôle de la stéréosélectivité lors de la fonctionnalisation de liaisons C-H, représente également un enjeu important pour le développement de nouvelles réactions. Différentes approches mettant en jeu la présence de centres stéréogènes sur le substrat ou des catalyseurs chiraux ont été mises au point, mais les résultats obtenus sont généralement encore modestes.

A la lumière de ces divers enjeux de sélectivité, nous allons à présent aborder de façon synthétique différentes réactions de fonctionnalisation de liaisons C-H en privilégiant les plus économiques en atome et en nous limitant aux réactions intermoléculaires, généralement plus difficiles à mettre point que leurs versions intramoléculaires. Nous présenterons ainsi différentes méthodes de fonctionnalisation de liaisons C-H sp (alcynes), sp2 (arènes, alcènes, aldéhydes) et sp3 (alcanes) (Schéma A-25).

Schéma A-25 : Fonctionnalisation de liaisons C-H

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Partie A. Formation de liaisons C-C et C-Hét via la rupture d’une liaison C-H métallocatalysée

35 Ces processus font généralement intervenir des agents de couplage ou des réactions d’addition sur des insaturations. Il est également possible de coupler directement deux substrats par réaction directe de leurs liaisons C-H (couplage oxydant ou couplage par déshydrogénation) qui s’accompagne de la formation formelle de dihydrogène (Schéma A-26).

Schéma A-26 : Couplage oxydant