Les systèmes d’oxydation aérobique

III.1.2.1 Généralités

Depuis une trentaine d’années, de nombreuses équipes de recherche travaillent sur la réaction d’oxydation aérobique des alcools afin de développer des systèmes catalytiques performants, faciles à mettre en place et générant peu ou pas de déchets. Une température de réaction peu élevée, une faible pression d’oxygène (notamment dans les solvants organiques inflammables), une faible quantité de catalyseur et d’additifs toxiques et / ou chers sont les principaux critères et défis à relever dans l’élaboration d’un nouveau système d’oxydation aérobique. A cela s’ajoutent la tolérance vis-à-vis de différents groupements fonctionnels et la possibilité d’oxyder chimiosélectivement un alcool en présence d’autres groupements susceptibles d’être oxydés. Pour toutes ces raisons, le nombre de systèmes catalytiques d’oxydation aérobique développés au cours de ces dernières années est extrêmement élevé et leurs présentations ont fait l’objet de nombreuses revues.²²⁰

Outre le palladium qui est de loin le métal le plus utilisé pour ce type de transformation, nous pouvons citer le cuivre, largement étudié par le groupe de Markό avec le développement de plusieurs générations de catalyseurs performants et l’élaboration de conditions douces oxydant une vaste gamme d’alcools.²²¹ Le cobalt a également fait l’objet de nombreuses recherches mais la plupart des systèmes élaborés ne sont efficaces que sur les alcools secondaires, les alcools primaires conduisant le plus souvent à l’acide carboxylique correspondant. A ce jour, le système d’Ishii est le plus abouti, mais l’absence d’études mécanistiques ne permet pas le développement de catalyseurs plus performants.²²² De façon similaire, le fer,²²³ l’osmium,²²⁴ l’or²²⁵ et le vanadium sont des métaux qui n’ont été étudiés que très récemment. Les trois premiers ont donné des résultats encourageants et laissent entrevoir la possibilité d’élaborer des systèmes d’oxydation performants. Les travaux effectués sur le vanadium ont quant à eux aboutis à d’excellents résultats. L’équipe d’Uemura a démontré que le vanadium est le métal le plus efficace dans l’oxydation aérobique des alcools propargyliques,²²⁶ tandis que l’équipe de Toste est parvenue à réaliser

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(a) Muzart, J. Tetrahedron 2003, 59, 5789; (b) Schultz, M. J.; Sigman, M. S. Tetrahedron 2006, 62, 8227; (c) Stahl, S. S.

Angew. Chem., Int. Ed. 2004, 43, 3400.

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Markό, I. E.; Giles, P. R.; Tsukazaki, M.; Brown, S. M.; Urch, C. J. Science 1996, 274, 2044. (b) Markό, I. E.; Gautier, A.; Dumeunier, R.; Doda, K.; Philippart, F.; Brown, S. M.; Urch, C. J. Angew. Chem., Int. Ed. 2004, 43, 1588.

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Iwahama, T.; Yoshino, Y.; Keitoku, T.; Sakaguchi, S.; Ishii, Y. J. Org. Chem. 2000, 65, 6502.

223

(a) Martin, S. E.; Suárez, D. F. Tetrahedron Lett. 2002, 43, 4475; (b) Wang, N.; Liu, R.; Chen, J.; Liang, X. Chem. Commun.

2005, 5322.

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Döbler, C.; Mehltretter, G. M.; Sundermeier, U.; Eckert, M.; Militzer, H.-C.; Beller, M. Tetrahedron Lett. 2001, 42, 8447.

225

Guan, B.; Xing, D.; Cai, G.; Wan, X.; Yu, N.; Fang, Z.; Yang, L.; Shi, Z. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 18004.

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une résolution cinétique oxydante d’α-hydroxyesters en utilisant des complexes chiraux de vanadium.²²⁷ Le ruthénium a également été au centre de nombreuses études. En 1997, l’équipe de Markό et l’équipe de Ley publient simultanément leurs résultats sur l’oxydation aérobique catalysée au TPAP.²²⁸ Depuis, de nombreux systèmes ont été élaborés mais la plupart nécessitent une quantité de catalyseur élevée et / ou des conditions forcées. D’excellents résultats sur l’oxydation sélective d’alcools primaires en présence d’alcools secondaires²²⁹ ainsi que sur la résolution cinétique oxydante d’alcools secondaires²³⁰ ont été obtenus à partir de catalyseurs de ruthénium de type salen.

Cette brève présentation les métaux utilisés lors de l’oxydation aérobique d’alcools met en évidence la richesse de cette réaction. Au cours de ces dix dernières années, de nombreux systèmes plus ou moins performants ont été élaborés et de belles perspectives sont à envisager dans l’élaboration d’oxydations chimiosélectives et de leurs applications en synthèse totale.²³¹ Pour ce faire, des études mécanistiques seront sans aucun doute indispensables. A ce jour, seuls les systèmes d’oxydation aérobique catalyséé au palladium ont été suffisamment étudiés pour proposer des mécanismes cohérents. Quelques exemples de ces systèmes d’oxydation sont présentés dans la partie suivante.

III.1.2.2 Systèmes d’oxydation aérobique catalysée au palladium

Comme il a été dit, le palladium est sans aucun doute le métal qui a été le plus étudié dans le cadre de l’oxydation aérobique d’alcools. Le premier système catalytique fiable a été développé en 1977 par le groupe de Schwartz. Une quantité catalytique de PdCl₂ et d’acétate de sodium dans du carbonate d’éthylène sous une atmosphère d’oxygène permet d’oxyder une variété d’alcools primaires et secondaires aliphatiques (Schéma III-1).²³²

R₁ R₂ OH R₁ R₂ O PdCl₂, NaOAc, O₂, 38°C O _O O

Schéma III-1 : Système catalytique de Schwartz

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Radosevich, A. T.; Musich, C.; Toste, F. D. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 1090.

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(a) Markό, I. E.; Giles, P. R.; Tsukazaki, M.; Chellé-Regnaut, I.; Urch, C. J.; Brown, S. M. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 12661; (b) Lenz, R.; Ley, S. V. J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1 1997, 3291.

229

Egami, H.; Shimizu, H.; Katsuki, T. Tetrahedron Lett. 2005, 46, 783.

230

Masutani, K.; Uchida, T.; Irie, R.; Katsuki, T. Tetrahedron Lett. 2000, 41, 5119.

231

Exemple de synthèse totale : Krishnan, S.; Bagdanoff, J. T.; Ebner, D. C.; Ramtohul, Y. K.; Tambar, U. K.; Stoltz, B. M. J.

Am. Chem. Soc.2008, 130, 13745.

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Il faudra alors attendre une vingtaine d’années pour voir le développement de cette réaction avec la présentation de plusieurs systèmes catalytiques. Parmi les plus performants, nous pouvons citer les systèmes de Larock²³³ et d’Uemera²³⁴ mettant en jeu une quantité catalytique de Pd(OAc)₂ et différentes conditions opératoires décrites dans le Schéma III-2.

R₁ R₂ OH R₁ R₂ O Pd(OAc)₂, ± NaHCO₃ DMSO, O₂, 80°C Système de Larock R₁ R₂ OH R₁ R₂ O Pd(OAc)₂, pyridine, 3ÅMS Toluène, O₂, 80°C Système de Uemura

Schéma III-2 : Systèmes de Larock et d’Uemura

Plus récemment, l’équipe de Sigman a élaboré et comparé trois systèmes catalytiques.²³⁵ Même si les deux systèmes utilisant le ligand carbénique N-hétérocylcique (IiPr) sont plus performants en terme de charge à introduire ainsi qu’en concentration en oxygène, il ressort de cette étude que le système Pd(OAc)₂-Et₃N-O₂ est plus facile à utiliser et efficace sur une grande variété d’alcools (Schéma III-3).

R₁ R₂ OH R₁ R₂ O Pd(IiPr)(OAc)₂(H₂O) AcOH, 3ÅMS, toluène R₁ R₂ OH R₁ R₂ O Pd(OAc)₂, Et₃N, 3ÅMS THF/Toluène, O₂, TA air ou O₂, 60°C R₁ R₂ OH R₁ R₂ O Pd(IiPr)(OPiv)₂ PivOH, 3ÅMS, toluène air, TA N N IiPr

Schéma III-3 : Les trois systèmes de Sigman

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Peterson, K. P.; Larock, R. C. J. Org. Chem. 1998, 63, 3185.

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Nishimura, T.; Onoue, T.; Ohe, K.; Uemura, S. J. Org. Chem. 1999, 64, 6750.

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III.1.2.3 Mécanisme de l’oxydation aérobique catalysée au palladium

Grâce aux diverses études effectuées,^{220a,c, 236} il est possible de présenter un mécanisme détaillé expliquant l’oxydation aérobique d’alcools catalysée au palladium. Le schéma III-4 illustre deux types de mécanisme possibles dans le cas du système Pd(OAc)2-Et3N-O2 développé par Sigman. Le premier mécanisme proposé (voie 1) passe par un Pd(0), tandis que le second (voie 2) utilise un Pd(II) tout au long du cycle catalytique.

(Et₃N)₂Pd(OAc)₂ R R' OH Et₃N R R' O A F D E β-H Elimination (Et₃N)₂Pd(OAc)(OCHRR') (Et₃N)Pd OAc OCHRR' AcOH chélation puis échange de ligand (Et₃N)₂Pd OAc H O₂ (Et₃N)₂Pd OAc O O (Et₃N)₂Pd (Et₃N)₂Pd O O O₂ 2 AcOH H₂O₂ B C voie 1 _{voie 2} AcOH H₂O₂ G AcOH H Et₃N

Schéma III-4 : Mécanisme d’oxydation aérobique pour le système Pd(OAc)2-Et3N-O2

Le cycle catalytique débute de la même façon pour les deux voies. Une chélation de l’alcool sur le Pd(II) A suivi d’un échange de ligand permet de former l’intermédiaire tétra-coordinné

B. Une perte d’un ligand Et₃N aboutit à la formation de l’espèce tri-coordinée C qui subit alors une β-H-élimination pour libérer le composé carbonylé et l’hydrure de palladium D. Selon les groupes de recherche, l’intermédiaire D peut conduire au Pd(II) A selon deux voies différentes. La première (voie 1) implique une élimination réductrice pour libérer une molécule d’AcOH et le Pd(0) E. Ce dernier est alors oxydé par de l’oxygène moléculaire pour donner le péroxypalladacycle F. Un échange avec deux molécules d’AcOH régénère le Pd(II)

A initial avec la formation simultanée de peroxyde d’hydrogène. La seconde (voie 2) fait

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intervenir l’hydropéroxypalladium G formé à partir d’oxygène moléculaire et de l’hydrure de palladium D. Un échange avec une molécule d’AcOH régénère le Pd(II) A initial.

III.1.2.4 Les dernières découvertes et les perspectives envisageables

Récemment, le groupe de Stahl a étudié l’influence du tamis moléculaire sur deux systèmes catalytiques présentés au préalable : le système de Uemera (Pd(OAc)₂-pyridine-O₂) et celui de Larock (Pd(OAc)₂-DMSO-O₂).²³⁷ La formation d’une quantité stœchiométrique d’eau par la réaction de dismutation de H₂O₂ formée au cours du cycle catalytique a poussé de nombreux auteurs à utiliser du tamis moléculaire afin de déplacer l’équilibre vers la formation du produit carbonylé. Cependant, les travaux réalisés par le groupe de Stahl ont abouti à des résultats pour le moins surprenants. Premièrement, l’eau n’a pas d’effet sur la cinétique de la réaction. Ce résultat remet ainsi en cause l’utilisation du tamis moléculaire dans de nombreux systèmes d’oxydation. En approfondissant leurs recherches, le groupe de Stahl a néanmoins démontré que le tamis moléculaire a d’autres fonctions. En jouant le rôle de base de Brønsted, le tamis permettrait d’accélérer la cinétique de la réaction et d’éviter par la même occasion l’agrégation du palladium en lui offrant une surface hétérogène. Il semblerait également que le tamis moléculaire ralentisse la réaction de dismutation de H2O2.

Malgré la grande efficacité des systèmes d’oxydation aérobique catalysée au palladium, il existe une classe d’alcool qui s’est toujours avérée problématique : les alcools allyliques. En 1977, le groupe de Schwartz signalait la difficulté d’oxyder ce type d’alcool et expliquait ce résultat par une forte complexation du catalyseur par l’oléfine.²³² Vingt ans plus tard, le groupe d’Uemura se confronte au même problème et parvient à le surmonter par l’ajout d’un large excès de pyridine dans le milieu.²³⁴ Le système catalytique développé par Larock (Schéma III-2) permet d’oxyder de façon efficace les alcools benzyliques tandis que les alcools allyliques sont plus difficilement convertis en leurs dérivés carbonylés avec des rendements isolés ne dépassant guère les 60%.²³³ Enfin, les trois systèmes développés par Sigman montrent également leurs limites dans ce cas précis. L’oxydation des alcools allyliques via le système Pd(OAc)₂-Et₃N-O₂ est dans la plupart des cas difficile et nécessite des conditions poussées. Les systèmes utilisant le ligand carbénique N-hétérocylcique (IiPr) se montrent quant à eux plus efficaces, à condition d’apporter quelques modifications à leur protocole (ajout de Bu₄NOAc). En accord avec les explications de Schwartz, Sigman émet l’hypothèse d’une forte chélation du Pd(0) par l’oléfine, mettant ainsi un terme au cycle catalytique.

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Au vu de ces résultats, l’élaboration d’un système catalytique permettant l’oxydation d’une large variété d’alcools allyliques s’avère donc être un sujet de recherche intéressant et nécessaire. Parmi les nombreux systèmes d’oxydation, celui de Sigman mettant en œuvre une quantité catalytique de Pd(OAc)₂ et de triéthylamine est sans aucun doute le plus simple à mettre en place. En étudiant chaque paramètre en détail, nous avons démontré que l’augmentation de la température à 45°C et l’absenc e de tamis moléculaire permettaient de changer l’activité et la sélectivité du système d’origine.⁷⁹