Étude de la cycloalcoylation de phénanthrylpentènes et de phénanthrylbutènes

THESE PRESENTEE

A

L'ECOLE

DES GRADUES DE L'UNIVERSITE LAVAL

POUR OBTENIR

LE GRADE DE MAITRE ES SCIENCES

par MARIE-FRANCE GANGLOFF-DELEPOULLE ETUDE DE LA CYCLOALCOYLATION DE PHENANTHRYLPENTENES ET DE PHENANTHRYLBUTENES. Avril 1971 -1

Remerciements

Je désire exprimer ma sincère gratitude à Madame le professeur P. Canonne qui a su m'encourager jusqu'à la fin de ce travail, malgré un état de santé difficile. Je lui suis reconnaissante de sa compré­ hension et de son amabilité;

Je ne voudrais pas oublier mes camarades de laboratoire qui, très gentiment, m'ont fait partager leurs connaissances et en particulier le Docteur J. Perchais qui m'a rendu de très grands services.

Je voudrais également remercier Mme Veilleux pour la dactylographie de ce travail ainsi que Diane Thibault pour la manipulation des appareils de spectroscopie.

Enfin, j'adresse un tendre remerciement à Jean-Michel, mon mari, pour l'aide inestimable qu'il m'a procurée et l'intérêt qu'il a porté à mes recherches.

TABLE DES MATIERES

Page

INTRODUCTION ... 1

CHAPITRE I CYCLISATIONS INTRAMOLECULAIRES SUR LE NOYAU PHENANTHRENIQUE... 12

I-A) Cycloacylation... 13

I-A-l) Acides arylaliphatiques... 15

I-A-2) Acides arylcarboxyliques ... 16

I-A-3) Anhydrides d'acides ... 23

I-B) Déshydrocyclisation aromatique de cetones ... 23

I-B-l) Réaction d'Elbs ... 24

I-B-2) Méthode de Rapson-Shuttlewood .... 26

I-C) Cyclisation de phénanthrylalcènes .... 26

I-D) Condensations de Diels et Aider et cycloadditions 29 I-D-l) Synthèse diénique ... 29

I-D-2) Photocyclisation ... 33

I-D-3) Cycloaddition avec le diazoacétate d'éthyle 34 I- E) Cycloarylation... 34

I-E-l) Condensation du phénanthrène sur lui-même 35 I-E-2) Condensation avec départ de groupements fonctionnels ... 36

CHAPITRE II PREPARATION DES PHENANTHRYLALCENES.. 39

XV

Page II-B) Préparation des halogénures de départ .... 43 II-C) Condensation malonique... 45 II-C-1) Préparation des esters maloniques. . . 46 II-C-2) Hydrolyse ... 48

II-C-3) Décarboxylation ... 49

II-C-4) Estérification de l'acide ... 49 II-C-5) Réduction de l'acide éthylénique en alcool 49 II-C-6) Réduction de l'alcool... 50 II- D) Réactions de déplacement par 1'intermédiaire

d'or-ganomagnésiens (réaction de Wurtz)... 51 II-D-1) Condensation du bromure d'allyle ... 51 II-D-2) Condensation du bromure de crotyle . 52 II- D-3) Condensation du bromure d'homoallyle. . 54

CHAPITRE III CYCLOALCOYLATION DE PHENANTHRYLALCENES .... 55 III- A) Cyclisation de phénanthrylpentènes-1 et -2,

Formation de cycles à six carbones... 56 III- A-1) Etude de la cyclisation... 56 III-A-2) Conditions de la cyclisation .... 58 III-A-3) Etude R.M.N. des produits de cyclisation 62 III-A-4) Conclusion ... ... 64 III-B) Autres cyclisations aboutissant à des cycles à

six atomes de carbone... 64 III-C) Cyclisation d'arylbutènes-1. Concurrence de la

formation de cycles à cinq et six atomes de car­

bone ... 65 III-C-1) Cyclisation par BF, ... 69

Page Etude des produits de cyclisation

par R.M.N... 70 III-C-2) Essai de cyclisation par le mélange

H^SO.-CH.COOH... 75

Identification de l'acétate (115) . 76 Interprétation de ce résultat. ... 77 III-C-3) Conclusion ... 79

CHAPITRE IV PREPARATION DU DIMETHYL-1,3 TRIPHENYLENE ... 81

CONCLUSION... 85

PARTIE EXPERIMENTALE... 87

INTRODUCTION

Lors de la cyclisation de dérivés phénanthréniques, la cycloalcoyla­ tion d'alcènes a été peu exploitée, en particulier celle de phénanthryl- alcènes présentant une double liaison en bout de chaîne. Seul Bergman (1) en 1940, effectua, avec un très faible rendement, une cyclisation de

l'allyl-9-phénanthrène (1) en cyclopenténo-9,10 phénanthrène (3), par l'intermédiaire du dérivé lithien (2) (avec AlCl^ dans CS^, la cyclisa­ tion ne se produit pas).

(3)

(1)

Nous verrons, au cours de l'étude historique de la cyclisation des phénanthrylalcènes présentant une double liaison à 1'intérieur de la chaîne

carbonée, que les résultats obtenus jusqu'à présent dans ce domaine sont fort peu concluants. Leurs auteurs ont d'ailleurs choisi d'autres méthodes pour synthétiser les composés désirés.

Cependant, divers travaux effectués dans notre laboratoire concernant la cyclisation de phényl- et naphtylalcènes en présence d'acides de Lewis

(BFg) ou d'acides protoniques (H^SO^—OH^COOH), nous ont amenés à penser que de telles cyclisations, appliquées à la série phénanthrénique, pour­ raient être possibles et qu'elles mèneraient, avec d'excellents résultats, aux produits attendus.

Ces cycloalcoylations débutèrent par les travaux de Régnault (2-6) qui effectua des simples, doubles et triples cyclisations sur des substrats benzéniques et naphtaléniques (schéma 1) avec des rendements presque quan­ titatifs.

R

R _R

R

R

R =COO-CH

3

; COOH ; CH^OH ; GH.

Schéma 1

Courier (7-9) appliqua ces mêmes cycloalcoylations aux Séries thiophénique, benzothiophénique et dibenzothiophénique.

3

R = COOCH ;

Schéma 2

Saint-Jean (10-11) s'intéressa surtout à la double cycloalcoyla­ tion en série naphtalénique et à la triple cyclisation en série benzcniquc de substrats présentant des encombrements stériques importants. On obtient ainsi des chrysenes et des triphénylcnes polyméthylés possédant des interac­ tions du type 4,5 phenanthrénique (schéma 3).

\K

R

R=COOCH^;COOH ; CH^OH ; CH

Schema 3

Une suite logique de ces travaux était la cyclisation de phénanthryl- pentènes-1 du même type en vue de 1'obtention de cycles à 6 atomes de car­ bone, ce que nous avons effectué dans la première partie de notre étude. Dans le cas du phénanthrène (4), nous nous trouvons en présence d'un hydro­

carbure aromatique présentant un axe de symétrie, dans lequel la réparti­ tion électronique (12-13) est indiquée à l'aide de son diagramme molécu­ laire (schéma 4).

5

r i =0

2 =7

/

3=6

4 = 5

9=10

3

Indices

de

charge Li bre croissants

Indices de Liaison croissants

Schéma 4

On peut s'attendre à une substitution électrophile facile sur les sommets 1, 10 et 4 (et les sommets symétriques correspondants) et à une addition possible sur les liaisons 1-2, 3-4 et 9-10 (et les liaisons symétriques correspondantes).

L'étude de la cyclisation possible des phcnanthrylpentcncs-1 se résume à celle de la cyclisation de pentènes situés aux sommets 1,2,3,4 et 9 con­ duisant aux chrysenes, benzo[a]anthracènes, benzo[c]phénanthrènes, triphény- lènes tétrahydrogénés (10) à (16). Cependant, les dérives fixés aux positions 2 et 3 entraînent deux possibilités de cyclisation et devraient donner des mélanges. Aussi, après avoir retenu les cyclisations ne donnant qu’un seul produit final (dérivés fixés aux positions 1,4 et 9), nous nous sommes posés

la question de la préparation des alcènes de départ. Les composés les plus accessibles étaient les halogénométhyl-1 et -9 phénanthrène (17) et (18). Par ailleurs, nous savions qu'il était impossible de préparer le tétramcthylben- zo[c]phénanthrène (19) par double cycloalcoylation du composé (20); Il nous a donc semblé opportun de tenter à nouveau une réaction de ce type à partir du dérivé situé en position 4. C'est pourquoi nous ne nous sommes intéres­ sés qu'aux dérivés placés aux positions 1 et 9.

7

Met hyi -1 chrysene

Methyl -4chrysène

Met hyl J11 benzo [a] anthfa cène

Methyl -8 benzo [a] anthracè ne

—*

Methyl-1 benzo [c] phenarrthrène

M ethyl - 4 benz o[c] phénanthrène

Par condensation malonique de 1'allylmalonate d'éthyle sur (17) et (18), on obtient les alcènes (21) et (22). Par reaction de Wurtz de (17) et (18) sur le bromure de crotyle ou d'homoallyle, on pourrait arriver aux pentènes (5) et (9). Malheureusement la réaction de Wurtz ne donnant dans ce cas que de faibles rendements, nous avons abandonné cette voie.

Les cyclisations ont été effectuées par BF^ pour (21c) et (22c), par le mélange (LLSO.-CH.COOH) pour (21c), (22c), (21a) et (22a), par A1C1? pour (21b) et (22b) et ont toutes donné, avec d'excellents rendements,

les dérivés tétrahydro correspondants. La réactivité du phénanthrène étant

21 a R=CHOCOCH

2]bR=COOCH

21c R =CH]

22 a R = CH OCOCH

22

bR =

COOCH

22 c R — CH

23a R=COOCH

23b R =CH^:dfmethyi-^3 chrysene

»

24a R =COOCH

2 4 b R =CHg .dimethyl—1,3 trjphenylène

plus élevée que celle du benzène et du naphtalène, nous avons dû modifier les conditions opératoires et, en particulier, la durée de la réaction que nous avons réduite à 20 minutes.

9

Cependant, l'originalité de ce travail consiste en la formation des phénanthrylbutènes-1 (25) et (26), obtenus par action du bromure d'allyl- magnésium sur les halogénométhyles correspondants. Nous avons réalisé une étude systématique de leur cyclisation en changeant le catalyseur, le temps de réaction et nous avons établi des comparaisons avec la cyclisation

d'(a-naphtyl)-4 butènes-1 (27). Les réactions de cyclisation sont complexes. Nous avons obtenu des mélanges et avons constaté une réactivité nettement diminuée des butènes-1 par rapport aux pentènes-1. De plus, nous avons rencontré des difficultés supplémentaires dans l'interprétation des spectres de R.M.N. de (28), (29), (30) et (31), étant donné la complexité des massifs aromatiques et cyclaniques due au grand nombre de couplages. En outre, les composés (28) et (29) d'une part, (30) et (31) d'autre part, ne diffèrent que par la position d'un proton difficilement décelable avec l'appareil dont nous disposons.

Pour compléter l'étude des cyclisations sur le noyau phénanthrénique, il nous avait paru intéressant d'exploiter la réaction de cyclodéshydra­ tation de p-hydroxycétones décrite en (14-15). Malheureusement, il ne nous fut pas possible d'obtenir 1'hydroxycétone (32), malgré le grand nombre de variantes apportées, alors que la g-hydroxycétone (33), issue du naphtalène était obtenue avec de bons rendements (60%).

11

OH

_{CH„ OH}

CH

3

_CH

3

32

₃₃

Pour effectuer l'étude comparative de la cycloalcoylation

d'hydrocarbures possédant un, deux ou trois noyaux aromatiques, notre choix se porte sur le phénanthrène au détriment de son isomère linéaire 1'anthracene. En effet, il ressort de la revue bibliographique,que nous présentons dans le chapitre suivant , que le phénanthrène est un substrat choisi par un grand nombre de chimistes soit en vue d'étu­ dier de nouvelles réactions, soit dans le but d'obtenir des composés aromatiques polynucléaires très complexes.

CYCLISATIONS INTRAMOLEQJLAIRES SUR LE NOYAU PHENANTHRENIQUE

13

Le noyau phénanthrénique est le substrat choisi par de nombreux chercheurs. En effet, un nombre considérable de réactions ont été anpli- quées à cet hydrocarbure aromatique tricyclique et nous avons également préféré ce composé et non son isomère, 1'anthracene.

Il nous a semblé utile, avant de commencer le rapport de nos travaux, de résumer les cyclisations déjà réalisées dans la littérature sur le

phénanthrène, les unes intéressantes par leur originalité, les autres nous permettant d'introduire le problème que nous nous sommes posé . Ainsi,

cela nous a permis de clarifier le sujet et de donner les références aux­ quelles nous nous reporterons le cas échéant.

Les premières cyclisations de dérivés phénanthréniques datent de 1930, à 1'époque de la découverte du cholestérol et d'autres stérols, en vue d'obtenir des cyclopenténophénanthrènes, de les comparer avec les pro­ duits de déshydrogénation des stérols et tenter ainsi d'élucider la struc­ ture de ces derniers.

HO

CH

3

Plus tard, on s'aperçut que certains dérivés du phénanthrène étaient cancérigènes, ce qui donna un nouvel essor à la chimie de cet hydrocarbure; de plus, on s'aperçut qu'il était un point de départ intéressant pour des préparations d'hydrocarbures aromatiques polycondensés à poids moléculaire plus élevé.

Les types de cyclisation étudiés peuvent être classifiés de la façon suivante :

A) Cycloacylation

B) Déhydrocyclisation de phénanthrylcé tone s C) Cycloalcoylation de phénanthryloléfines D) Cycloaddition du type Diels et Aider

E) Cycloarylation (condensation de noyaux aromatiques sur le phénanthrène).

Dans cette revue des cyclisations, nous traiterons uniquement les cyclisations intramoléculaires, car les cyclisations intermoléculaires et celles faisant intervenir des hétéroatomes dépassent le cadre du sujet.

I-A) CYCLOACYLATION

Nous avons classé les acides dérivés du phénanthrène en deux types: acides arylaliphatiques ( -butanoïques et -propanoïques) et aci­ des arylcarboxyliques possédant un groupement aryle en ortho. Les cycli­ sations d'acides, chlorures et anhydrides étant très nombreuses, nous les présentons sous forme de tableaux (tableaux 1, 2 et 3).

15

I-A-l) Acides arylaliphatiques

a) Acides B-phénanthrylpropanoïques

Les cyclisations effectuées sont celles d'acides phénanthryl-1, -2, -3 et -9 propanoïques ou de leurs dérivés. Dans le cas des dérivés fixés en position -9 et -1, il y a formation de cycle à cinq ou six chaînons

(schéma 5). Le tableau 1 résume les résultats obtenus.

0

réduction

reduction

cyclopenteno-1,2

phenanthrène

benzo[fJ phénalène

phênanthryl-CHg-CH^COX conditions position de cycle cycle Rdt % Ref. cyclisation à 5 à 6 2 X 4 phénanthryl-1 (X=C1) aici3-c6h5no2 (18) 10 X 25 phénanthryl-2 (X= Cl) SnCl^-C^HrNOz 1 X 50 (18) 34 A1C13-S0C12 1 X 60 (16) 35 (R=CH3 ou C6H5) H2SO^- 97% 1 X 33 (19) phénanthryl-3 (X=C1) SnCl^-CS2 4 X 64 (18) A1C17-C>IcN0o 3 6 5 2 4 X X 74 (18) 2 _e 4 X 25 AlCl3-C^HrN02 2 X 3 (17) 10 X faible phénanthryl-9 (X=C1) A1C13-C,H3N02 (18) O 0 _{1 X faible}

17

b) Acides y-phénanthrylbutanoïques

Les acides y-phénanthrylbutanoïques conduisent à la formation de tétralones. Suivant la position de la fixation de la chaîne car­ bonée sur le squelette phénanthrénique et le catalyseur utilisé, on isole un composé pur ou un mélange de deux isomères (schéma 6). Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau 2.

phé-CH^-CH.-CH^-COX

conditions position de cyclisation Rdt en cyclisé hydrocarbure aromatique préparé

Ref.

phë-1 (X=C1)

SnCl^-CSg 2 92 ** Me-1 Chrysène

₍₂₆₎

1 60 Chrysène

phê-2 (X=OH)

H9SO^-85%

(20)

3? ? ZnCl9-AC90 1 51 Chrysène

₍₂₅₎

Me-4 Chrysène HF 3 78 benzoCa]

₍₂₅₎

anthracene

phê-2 (X=C1)

SnCl^-%

1 74 Chrysène

₍₂₆₎

Œ3 Me-4 Chrysène phé-2-CH-ŒL-CHo-C0Cl

_SnCl.-CS9

1 72 diMe 1,4

₍₂₆₎

Z Z 4 Z _Chrysène 'ch3

phé-2-CHg-CH-CH9-COCl

SnCl^CgHg 1

80

Me-2 Chrysène

₍₂₄₎

ch3

phê-2-CH_-CH2-CH-COCl

SnCl^-C^

1 64 Me-3 Chrysène

₍₂₆₎

1-8 60 picène 36 Acide poly-

(28)

phosphorique 1-6 29 dibenzo [a,h] phénanthrène

TABLEAU 2 (suite)

phê-CHg-CHg-CHg-COX conditions position de Rdt en hydrocarbure Ref. cyclisation cyclisé aromatique

préparé

36

SnCl^-C^

1-8 1-6 40 75 picène dibenzoEa.i] phénanthrene

(28)

phé-3

_(X=OH)

H^SO. -100°C

2 40 benzoEa]

anthracene

(20)

SnCl. _100°C

2 75 Me-5 benzoEa] anthracene

(21)

SnCl^ -100°C

2 70 benzoEa] anthracene

(22)

phé-4

_(X=C1)

SnCl4-CgHg o°c 3 81 benzoEc] phénanthrene

(27)

phé-4

_(X=OH)

HF 3 75 benzoEc]

phénanthrene

(29)

3

I-A-2) Acides arylcarboxyliques

Les acides arylcarboxyliques portant un groupement aryle ou aroyle en ortho conduisent, par acylation intramoléculaire, à des cyclopentanones et des cyclohexanones, selon la disposition du groupement fonctionnel. Le grou­ pement carboxylique peut se trouver sur le phénanthrène (37), sur le benzène (38) ou sur le naphtalène (44). Nous indiquons sur le tableau 3 les simples, doubles et triples cyclisations étudiées.

red action

CO H

tyreductioi

2) Pd/C

TABLEAU 3 Composé de départ conditions position de cyclisation 37

_SOClg-CCl^

38

1) S0C12

2) AlCl^-CSz

10 HF 10 39

_»2^4

pas de cyclisation 40 H2S04 41

_»2^4

42

H2SO^-155°C

2 minutes 2,7 43

_{Zn-NaCl-ZnCl2}

380°C _ 2 min

2,7,10

44 Zn-NaCl-ZnCl2

380°C - 2 min

2,7,10

Rdt % hydrocarbure Ref.

cyclisé aromatique préparé

61 dibenzo[a,c]fluorène dibenzo[a,c]anthracene

(30)

22 phényl-9-dibenzo[a,c] anthracene

(31)

42 9 14C dibenzo[a,c] anthracene

(32)

—

(32)

71 11H indéno[2,1-a] phénanthrène

(33)

71 méthyl-7 11H indéno [2,l-a]phénanthrène

(33)

47 heptaphène (45)

₍₃₄₎

23 nonarstarphène (46)

₍₃₅₎

72 décarsphène (47)

₍₃₅₎

R

COCK

26 5

40(R=H)

41 (R=CH )

-

3

44

47

23

I-A-3) Anhydrides d'acides

Une variante à l'étude précédente est celle de la cyclisation par AlClj ou HF d1 anhydrides dérivés du phênanthrène (36) tels que

(48) et (49). Lors de ces cyclisations, on forme les fluorénones poly­ nucléaires (50) et (51).

Le phênanthrène se condense avec 1'anhydride maléique (37) en pré­ sence de AlClg, donnant un dérivé cyclopenténophénanthrène (52) transfor­ mé rapidement en (53), (54) et (55). Le mécanisme de cette réaction con­ siste en deux étapes : l'étape initiale est 1'attaque de la double liaison de 1'anhydride maléique sur le phênanthrène, la deuxième étape, l'acyla­ tion de Friedel et Crafts permettant la fermeture du cycle.

R R=COOH

R = H

O

48

50

,0

At Cl CH NO

ou HF

3*65

2

R

O

49

51

I-B) DESHYDROCYCLISATION AROMATIQUE DE CETONES

Nous avons rencontré deux sortes de déshydrocyclisations aromatiques de cétones permettant d’effectuer des cyclisations sur le noyau phénanthré- nique: la réaction d'Elbs (38) et la méthode de Rapson et Shuttlewood (39). Ces cyclisations offrent 1'avantage de donner directement 1'hydrocarbure aromatique sans utiliser la déshydrocyclisation.

I-B-l) Réactions d'Elbs

Elle permet de cycliser, par chauffage à 400-450°, des composés de type (56) suivant le mécanisme proposé au schéma 7.

Schéma 7

Cette réaction donne souvent des mélanges, et le produit obtenu demande une purification. Les cyclisations effectuées sont résumées dans le tableau 4.

TABLEAU 4

25

cétone de départ hydrocarbure aromatique obtenu référence

dibenzo[a,c]anthracene méthy1-6 dibenzo[a,c]anthracene (41) (42) dibenzo[a,i]anthracene dibenzo[a,c,h]anthracène (42) (42) phénanthra[2,3-b]phénanthrène (42)

I-B-2) Méthode de Rapsem - Shuttlewood

En 1940, Rapson et Shuttlewood (39), voulant appliquer la réaction d'Elbs à des composés du type (57), n'obtinrent pas, en présence de P-Or, le composé attendu, mais un homologue supérieur du méthylfluorène.

2

CH

3

Les applications au phénanthrène sont indiquées sur le tableau 5.

I-C CYCLISATION DE PHENANTHRYLALCENES

Ce sujet a été peu exploité. Il ressort des exemples cités ci- dessous une certaine confusion due à la difficulté d'identifier les pro­ duits de cyclisation obtenus. En général, le seul moyen de vérification est la déshydrogénation.

TABLEAU 5

cetone de départ

COOEt

catalyseur hydrocarbure obtenu réf.

H^SO, 65% naphtaC1,2-b]fluorène (après déshydrogénation) (43) tribenzo[a,c,g]fluorène acide polyphosphorique dibenzo[a,c], naphto[2,1-g]fluorène (45) acide polyphosphorique décomposition (45)

cyclisée: c'est 1'ally1-9 phcnanthrènc (1) cycli se en cyclopenteno- phénanthrène (1). Les autres alcènes utilisés sont les cyclonentcnes et

cyclohexènes (58) et (59) donnant en général par AlCl^ les dérivés spiro (60), (61) et (62) (46-47).

Ces cyclisations nous posent plusieurs questions auxquelles nous nous efforcerons de répondre :

1) La cyclisation, dans le cas où les positions 9 et 1 sont acces­ sibles, se fera-t-elle à la position 9 plutôt qu'à la position 1 ?

2) S'il y a concurrence entre un cycle à 5 ou 6 carbones, lequel sera prédominant ?

29

]-D CONDENSATIONS DE DIELS ET ALDER ET CYCLOADDITIONS J-D-l) Synthèse diënique

Les vinylphénanthrènes (48) et (49) réagissent avec l'anhydride maléique sauf s'ils sont trop encombrés ou très peu symétriques: c'est

-le cas de (65e) et (65f).

63

64

63a 63c 63e 63g (R=R'=H) 63b (R=CH^,R'=H) 63d (R=%,R'=H) 63f (R=R' =cyclopentényle) 63h (R=H,R'=CH^) (R=H,R'=C^) Cr=rt=c6h5) (R=R* =cyclohexényle) 64: dérivé tétrahydrotriphényTène

Dans le cas de 63h, qui ne réagit pas, les auteurs suggèrent

que la double liaison du cyclohexène soit placée dans une position telle que la réaction du diène soit stériquement impossible.

phénanthrène, se faisait par l'intermédiaire du dcshydro-9,10 phenanthrene (65). Les cycloadditions effectuées sont indiquées par le schéma réaction­ nel 8. OCH

6_5__

CHU

6 5

F n Bu L i Br,

furanne.

OCOCH

Stille et Foster (51) étudièrent les réactions d'addition et de dimérisation des composés (71) et (72), faisant intervenir le phé- nanthroquinodiméthane (70) comme intermédiaire. Ces réactions sont résumées par le schéma 9.

CH] CH CO CH

72

33

I-D-2) Photocyclisation: photoconversion de composés apparentes au stilbène.

Ces cyclisations suivent le mécanisme décrit par Wood et Mallory (52) lors de la préparation du phénanthrène à partir du stilbène. L'application au phénanthrène a été effectuée dans les cas suivants :

Référence hexane Méthyl-4 benzo[aItriphénylène (53) (54) heptahélicène

I-D-3) Cycloaddition avec le diazoacétate d'éthyle

Le diazoacétate d'éthyle donne plusieurs produits d'addition cycli­ que avec le phénanthrène (57-58). Il attaque toutes les positions du phénanthrène avec une légère préférence pour les liaisons les moins en­ combrées (9-10, 1-2, 3-4).

COOEt I-E CYCLOARYLATION

Sous cette rubrique, nous introduisons toutes les cyclisations de com­ posés aromatiques avec le phénanthrène (sauf la cycloacylation d'acides aryl- carboxyliques et la déshydrocyclisation de cétones aromatiques traitées aux paragraphes A et B). Nous pouvons séparer ce paragraphe en deux parties, la première correspondant aux dimérisations du phénanthrène (avec perte d'hydro­ gène) , la seconde traitant de la condensation du phénanthrène avec un autre composé aromatique; dans ce cas, un des aromatiques en présence est sensibili­ sé par un groupement fonctionnel tel que -OH, -NH^, halogène, -C00H.

35

I-E-l) Condensation du phénanthrène sur lui-même

Le catalyseur utilisé pour ces cyclisations est AlCl^. On obtient des dibenzopérylènes ou des tribenzofluoranthenes. Le tableau suivant résume les condensations effectuées.

composé de départ conditions hydrocarbure obtenu références

9 b romophénanthrène aici3 dibenzoCb,k]pérylène (75) (59),(60)

phénanthrène _AlCl3-SnCl4 (75) (59),(60) phénanthrène CH^Cl^-Air AlClg (75) + (76) (61) 9,9' biphénanthryle(77) AlCl3-NaCl 120° dibenzo[b,n]pérylène (78) (61)

I-E-2) Condensation avec depart de groupements fonctionnels

a) Déshydratation

Deux cyclodéshydratations ont été effectuées en présence d'un mélange d'acide sulfurique et d'acide acétique, et aboutissent toutes deux à (79). La seconde utilise un réarrangement.

Référence

9-phényl dibenzo[a,c]

fl uorène (79)

b) Désamination

Cette réaction a été utilisée (47) pour prouver la structure du dibenzoEa,c]phénanthrène (81).

R=NH2

eo R=COOH

37

c) Condensation de deux groupements carboxyliques

De Ridder et Martin (44) préparaient le tétrabenzo Ca,c,g,i] fluorène (84) par cyclisation de (82) et réduction de la cétone (83) ainsi obtenue.

82 R=COOH 83 R=0

84 R=H

__

2

d) Pyrolyse de composés diiodés (64)

CuO

2

dibenzo(a,cJ bfphénylène

e) Déshalogénation d'acides bromoacryliques

Martin (65) appliquant cette méthode (fusion potassique à 240-270°) aux composés (85) et (86) trouva des transpositions inattendues lors de la cyclisation. Les résultats obtenus sont résumés sur le schéma 10. Cette

réaction peut être applicable à la synthèse des hexahélicènes (89) et (92).

CO H

CHAPITRE II

L'étude que nous avons entreprise dans le domaine de la cycloalcoy­ lation des phénanthryloléfines se limite, comme nous l'avons exposé dans 1'introduction, à 1'obtention de composés cyclaniques purs et facilement identifiables. Cependant, la synthèse des oléfines à cycliser demande un effort considérable au point de vue expérimental.

Deux voies permettent 1'obtention de phénanthrylalcènes :

- la condensation malonique exploitée avec succès sur des substrats benzéniques et naphtaléniques

- la réaction de déplacement par 11 intermédiaire d'organomagncsiens (réaction de Wurtz).

Ces deux réactions utilisent, comme produits de départ, des halogéno- mêthylphénanthrènes que nous avons obtenus par chlorométhylation directe du phénanthrène . En effet, nous aurions pu les obtenir par chloration ou bromation radicalaire de méthylphénanthrènes, mais ces derniers sont encore plus difficilement accessibles que les halogénométhylphénanthrênes. Toute­

fois, nous avons utilisé la méthode de bromation du methyl-1 phénanthrène pour préparer le bromométhyl-1 phénanthrène (19).

II-A) PREPARATION DES ALCENES DE DEPART

Nous avons étudié la préparation de sept phénanthryloléfines, certai­ nes conduisant à des cycles à six carbones, les autres donnant, par

cycli-41

sation, la possibilité de former soit des cycles à cinq, soit des cycles à six chaînons. Nous avons pensé améliorer la discussion en préparant quelques naphtyloléfines non encore décrites comparables aux phénanthryl- oléfines correspondantes et dont les produits de cyclisation sont plus faciles à interpréter par R.M.N. Pour faciliter la compréhension de ce chapitre, nous avons jugé utile d'indiquer sur le tableau 6 les alcènes étudiées ainsi que leur mode de préparation et l'halogénure de départ.

TABLEAU 6

PREPARATION DES PHENANTHRYL- ET NAPHTYLALCENES

alcène préparé mode de préparation halogénure de départ

R

_{synthèse malonique chlorométhyl-9 phénanthrène}

synthèse malonique bromométhyl-1 phénanthrène

réaction de Wurtz chlorométhyl-9 phénanthrène bromure d'homoallyle

réaction de Wurtz chlorométhyl-9 phénanthrène bromure d*allyle

alcène préparé mode de préparation réaction de Wurtz bromure d'allyle réaction de Wurtz bromure de crotyle réaction de Wurtz -bromure d'allyle - bromure d'homoallyle réaction de Wurtz bromure d'allyle halogénure de départ bromométhyl-l phénanthrène chlorométhyl-9 phénanthrène

(chloro-2 éthyl)-l naphta- ïène

chlorométhyl-1 naphtalêne

43

TABLEAU 6 (suite)

alcène préparé mode de préparation halogénure de départ

réaction de Wurtz

bromure de crotyle chlorométhyl-1 naphtalène

réaction de Wurtz

bromure d'allyle méthyl-2 bromométhy1-1 naphtalène

II-B) PREPARATION DES HALOGENURES DE DEPART

Des cinq halogénures indiqués au tableau 6, seul le chlorométhyl-1 naphtalène est commercial. Il nous a donc fallu préparer les quatre autres. La chlorométhylation du phénanthrène (66, 67, 68) est beaucoup plus diffi­ cile que celle du naphtalène et ses dérivés méthylés (2, 69, 70, 71, 72). Malgré plusieurs améliorations portées à la méthode déjà décrite dans la littérature, nous avons toujours obtenu un mélange de phénanthrène non réagi

et de chlorométhylphénanthrènes (50% de phénanthrène, 20% de chlorométhyl-9 phénanthrène, 1% de chlorométhy1-1 phénanthrène; le reste étant constitué de produits de polymérisation). La séparation est pénible et délicate car elle exige une distillation fractionnée très soignée et de multiples recris­ tallisations. Nous avons obtenu le chlorométhyl-9 phénanthrène (18) pur, mais nous n'avons pas réussi à récupérer suffisamment de chlorométhyl-1 phé­ nanthrène pur pour utiliser la chlorométhylation comme méthode de préparation de ce composé.

Nous avons préféré préparer le bromométhyl-1 phénanthrène (17) par bro­ mation du méthyl-1 phénanthrène à l'aide de la N.B.S. (74). Cette broma­

tion donne d'excellents rendements. Cependant, nous avons dû synthétiser le mé thyl-1 phénanthrène. Pour cette préparation nous avons proposé trois voies différentes aboutissant aux oléfines (95) et (96b) (paragraphe II-C). Ces oléfines sont cyclisées par BF^ (6) et aromatisées à l'aide du charbon palla- dié (75) avec des rendements presque quantitatifs.

Pd / C

bromomethyl-1

45

Le (chlore-2 ethyl)-1 naphtalcne (97) est prépare à partir de l'aci­ de a-naphtylacétique (98). Par réduction de celui-ci en utilisant LiAil 1^ dans le tétraiiydrofuranne, puis chloration de l'alcool obtenu (99) par S0C1 dans la N,N-diméthylaniline (76-77), on obtient l'halogénure désiré.

/COOH

CH2

Li Al

98

/CH OH

H2 2

SOCI2i

N -diméthylaniline

/CH Cl

CH^ 2 99 ₉₇

Enfin, le méthyl-2 chlorométhyl-1 naphtalène est préparé par chloro­ méthylation directe du méthyl-1 phénanthrène.

II-C) CONDENSATION MALONIQUE

C'est une voie intéressante qui permet en une seule étape (con­ densation d'halogénométhylarènes sur l'allylmalonate d'éthyle), d'obtenir le squelette de l'oléfine désirée. Les transformations ultérieures se font toutes avec des rendements supérieurs à 80%. Nous nous sommes largement inspirés des travaux de Régnault (1-6), repris par Saint-Jean (10-11), ce qui a simplifié notre étude. Nous nous trouvions, dans notre cas, dans des conditions particulièrement favorables pour tirer profit de cette méthode de synthèse et ceci pour trois raisons:

1) les halogénométhyles-1 et -9 phénanthrènes sont des composés très réactifs, à cause de leur caractère benzénique poussé,

2) il s'agit dans ce cas d'une monocondensation qui donne des rendements supérieurs aux doubles et triples condensa­ tions ,

3) les intermédiaires obtenus tout au long de cette synthèse sont

"k

solides, ce qui a facilité les processus de purification.

Le schéma 11 montre les différentes étapes de réaction.

II-C-1) Préparations des esters maloniques

La condensation malonique utilise la propriété du malonate d'éthyle de perdre ses hydrogènes mobiles (79-80). Dans le cas qui nous intéresse, nous condensons le dérivé sodé de 1'allylmalonate d'éthyle sur des halogé- nométhylphénanthrènes. En général, le solvant utilisé est 1'éthanol. Ce­ pendant, Cope (81-82) utilisait le benzène pour condenser des halogénures du type benzhydryle (C^Hg)^CH- sur les malonates. Malgré un encombrement stérique important, il obtenait de bons rendements (65 à 80%). Nous avons appliqué cette méthode car elle nous paraissait plus aisée: en effet, le benzène anhydre est plus facile à obtenir que 1'éthanol anhydre et la sé­ paration du chlorure de sodium ne pose aucun problème au moment de 1'extrac­ tion. Si on utilise des quantités stoechiométriques d'allylmalonate sodé et d'halogénure, on obtient à la fin de la réaction, après évaporation du benzène, un ester propre qui cristallise rapidement. Sinon, il suffit de

Nous ne détaillerons l'étude spectroscopique des intermédiaires ob­ tenus que lorsque nous aurons noté des changements notables avec les travaux de Régnault. Le lecteur intéressé par ces composés aura tout intérêt à se référer à la thèse de doctorat (78). Cepen­ dant, ces produits étant nouveaux, nous donnerons dans la partie expérimentale les données spectroscopiques obtenues.

47

(COOH).

KO H

L i A1 H

Et OH

Li Al H,

BF • C H

H 50 CH COOH

3' 6 6

2 4' 3

W

Nr CHOAc

^

A,CI3-CH2C,2

COOCH

distiller 1'allylmalonate d'éthyle restant pour récupérer un ester qui cristallise. Le rendement de la réaction varie entre 85 et 90%.

On recristallise l'ester obtenu dans le méthanol et on le caracté­ rise par son point de fusion, son spectre de R.M.N. (H allyliques entre 5 et 6 p.p.m., signaux des protons du radical éthyle entre 1 et 4 p.p.m.), son spectre I.R. (vC=0 = 1740 cm""1) et son analyse élémentaire.

Le fait qu'on puisse employer comme solvant aussi bien l'éthanol que le benzène et que 1'encombrement stérique n'influence ni le temps, ni le rendement de la réaction nous conduit à penser que la condensation malonique suit un mécanisme S1L . Cependant, les travaux de Régnault, Saint-

Jean et Courier (2 à 11) ont montré que cette condensation, appliquée à un halogénure secondaire, exige comme solvant le ter-butanol et comme base le ter-butylate de sodium, ce qui semblerait indiquer un mécanisme

SN_.

Ainsi donc, les halogénométhylphénanthrènes sont très réactifs dans ce type de substitution nucléophile.

II-C-2) Hydrolyse

L'hydrolyse du diester en diacide correspondant s'effectue par

reflux dans une solution hydroalcoolique de potasse. Pour que l'hydrolyse soit la plus complète possible, il convient de respecter les conditions opératoires suivantes:

- mettre 6 moles de potasse par mole d'ester

- la solution finale doit être 3 fois molaire et contenir 50%

d'éthanol et 50% d'eau

49

Dans ces conditions, nous avons hydrolysé l'ester avec un rendement de 98%. Après 1'hydrolyse le diacide cristallise dans le benzène. On le caractérise par son analyse élémentaire, son point de fusion (point de décarboxylation) et son spectre I.R. (vOH = 2900-3200 cm-1; vC=0 = 1720 cm-1).

II-C-3) Décarboxylation

C'est une réaction très aisée qui s'effectue en chauffant le diacide (101) pendant 3/4 d'heure à 200° . Après refroidissement on obtient le monoacide (102) pur. La réaction est presque quantitative (98%). L'acide est recristallisé dans le benzène. Il est caractérisé par son spectre I.R.

(vOH = 2900-3200 cm-1 et vC=0 = 1710 cm-1) son spectre R.M.N. (-0H donne un singulet à 10.9 p.p.m., 1'intégration du spectre permettant son identifi­ cation) et son point de fusion.

II-C-4) Estérification de l'acide

A température ambiante, le diazométhane en solution dans l'éther esté- rifie l'acide (102) en ester méthylique (22b). C'est une réaction quantita­ tive, et après évaporation du solvant l'ester cristallise. Nous avons obte­ nu ainsi une de nos oléfines de départ. Elle est caractérisée par les si­ gnaux des protons de -COOH^ qui donnent en R.M.N. un singulet à 3.48 p.p.m. , par les bandes vC=0 à 1745 cm-1 et vC=C à 1640 cm-1 en I.R. et par 1'ana­ lyse élémentaire.

II-C-5) Réduction de l'acide éthylénique en alcool

L'hydrure de lithium et d'aluminium a la propriété de réduire les acides carboxyliques en alcool. Le déplacement de l'hydrogène acide utilise

1/4 mole d'hydrure et il faut employer 1/2 mole de plus pour obtenir

la réduction. Théoriquement 3/4 mole de réactif est suffisant pour réduire 1 mole d'acide (83). Cependant, nous avons préféré employer 2 moles d'hydru­ re par mole d'acide car la réduction d'un acide est assez difficile et

assez longue (24 h). Ensuite on hydrolyse l'hydrure d'aluminium et de li­ thium en excès. De cette manière nous avons obtenu un rendement de 98$.

Au cours d'un de nos essais, après avoir effectué 1'hydrolyse à température ambiante en utilisant une grosse quantité d'acétate d'éthyle, puis un peu d'eau, nous avons eu la surprise d'obtenir, en plus de l'alcool attendu, 1'acétate 22a. Nous pensons que la formation de ce sous-produit est due à la réaction de trans-estérification entre l'alcoolate formé et 1'acétate d'éthyle en excès, selon l'équation suivante:

Œ3-COOC2H5 + RO" CHjCOOR + C^HLO"

L'alcool (104) et l'acétate (22a) sont séparés par chromatographie sur colonne, On avait obtenu 68$ d'acétate et 32$ d'alcool.

L'acétate (22a) constitue la deuxième oléfine à cycliser.

II-C-6) Réduction de l’alcool

L'alcool est transformé en tosylate puis réduit par LiAlH^. La ré­ duction est rapide (3 h) et donne des rendements de 80 à 85$. Le produit de la réduction est chromatographié plusieurs fois sur colonne afin d'éli­ miner les résidus sulfureux qui s'y trouvent mêlés. Malgré tous nos efforts nous n'avons pas réussi à faire cristalliser 1'oléfine (22c) que nous avons obtenue pure. Nous avons vérifié sa pureté par I.R., R.M.N., couche mince et par analyse élémentaire.

51

II-D) REACTION DE DEPLACEMENT PAR L'INTERMEDIAIRE D'ORGANCMAGNESIENS. (REACTION DE WURTZ)

Elle consiste à faire réagir un réactif de Grignard RMgX avec un halogénure R'X. On obtient 1'hydrocarbure correspondant RR' (84). Cette réaction donne d'excellents rendements surtout lorsqu'un des réactifs est allylique (85, 86).

Le tableau 6 indique les oléfines que nous avons préparées par réac­ tion de Wurtz. Dans chaque cas, au moins un des deux réactifs avait un caractère allylique ou benzénique. Quand cela nous a été possible, nous avons formé le dérivé organométal1ique à partir de l'halogénure le plus léger car les produits de duplication sont volatils.

La réaction de Wurtz offre 1'avantage d'être une synthèse d'alcènes en une seule étape, alors que la condensation malonique en demandait cinq, et de permettre la préparation aisée, à l'aide du bromure d'allylmagnésium, d'oléfines pouvant conduire à des cycles à cinq carbones.

II-D-1) Condensation du bromure d'allyle

Nous avons condensé le bromure d'ally lmagnésium sur le chlorométhyl-9 phénanthrène (18) , le bromométhyl-1 phénanthrène (17), le chlorométhy1-1 naphtalêne et le méthyl-2 bromométhyl-1 naphtalène avec des rendements d'en­ viron 95%. Dans le cas des dérivés phénanthréniques, après hydrolyse et extraction, l'alcène cristallise et on le purifie par recristallisation dans le méthanol absolu. Dans le cas des dérivés naphtaléniques, l'huile obte­ nue est chromatographiée sur colonne. Les composés sont identifiés par

leur spectre R.M.N. et I.R. Leur pureté est vérifiée par couche mince et par analyse élémentaire.

Lorsque nous avons voulu condenser le bromure d'ally Magnésium sur le chloroéthylnaphtalène (97), nous avons obtenu des rendements très fai­ bles (15 à 20%) et nous n’avons pas réussi à obtenir une oléfine pure. Nous avons alors condensé le chlorure d'a- (naphtyl) -2 éthyMagnésium sur le bromure d'allyle comme le faisait Bogert (86)"avec le chlorure de phényl-2 éthyMa­ gnésium. Celui-ci obtenait un rendement de 55%. Pour notre part, nous avons obtenu des rendements semblables, mais nous n'avons pas réussi à iso­ ler 1'oléfine pure, la présence d'éthylnaphtalène gênant considérablement la purification par chromatographie ; de plus cette oléfine est liquide et la cristallisation est impossible. Cependant, nous avons utilisé 1'oléfine impure car après cyclisation et aromatisation du mélange, on peut séparer le méthyl-1 phénanthrène par recristallisation.

II-D-2) Condensation de bromure de crotyle

Le cation crotyle appartient à un type d’ions carboniums qui peut être représenté par deux structures équivalentes :

@

e

CH—CH=CH—C H <--- > CH=CH-CH —CH

3 2 2 3

Il réagira donc en donnant deux composés isomères. Les proportions de chaque isomère formé varient avec les conditions opératoires et le réactif mis en jeu. Lorsque nous avons formé le réactif de Grignard avec le bro­ mure de crotyle et que nous l'avons condensé sur le chlorométhyl-1 naphta­

lène et le chlorométhyl-9 phénanthrène, nous avons obtenu un mélange conte­ nait 90% des alcènes (96a) et (94a) respectivement et 10% des isomères (96b) e : (94b). Lorsque nous avons formé 1'organomagnésien du chlorométhyl-1

53

naphtalenc et que nous l'avons condense sur le bromure de crotylc, nous avons obtenu environ 50» de 1'isomère (96a) et 50% de 1'isomère (96b)

(schéma 12).

CH Cl

Schéma 12

La chromatographie sur colonne et couche mince ne nous a pas permis de séparer 3es alcènes obtenus, mais ils ont etc identifies par R.M.N. F,n effet, les protons des méthyles de (96a) et (96b) sont différents, les uns se couplent avec un H tertiaire et sortent sous forme de doublet à 1.05 p.p.m. (J = 6 Hz), les autres sont en positions a]lyliques et se couplent à la fois avec les protons lia et Ilb en donnant un doublet de doublet cen­ tré à 1.53 p.p.m.

II-D-3) Condensation du bromure d'homoallyle

Le bromure d'homoallyle est moins réactif que le bromure d'allyle et la formation du Grignard de ce composé est plus difficile. La conden­ sation nous a donné de faibles rendements (10%), mais dans ce cas nous n1 avons pas obtenu de mélange d'oléfines. L'oléfine (95) a été identifiée par ses spectres I.R. et R.M.N.

CHAPITRE III

III-A) CYCLISATION DE PHENANTHRYLPENTENES-1 ET 2 FORMATION DE CYCLES A SIX CARBONES

Le problème de la cyclisation de phénanthrylpentènes est simple pour deux raisons :

- Des travaux semblables ont déjà été effectués dans notre labora­ toire (2-11).

- Les oléfines étant fixées en position 9, seule la cyclisation en position 10 permet la formation de cycles à six carbones et la cyclisation en position 1, formant un cycle à sept carbones, est nettement défavorisée par rapport à celle conduisant à un cycle à six carbones (87).

III-A-1) Etude de la cyclisation

Nous avons entrepris l'étude de la cyclisation de trois (phénan-

thryl-9) pentènes 22a, 22b et 22c ainsi que celle du phénanthryl-9 pentène-2 (94b). Le schéma 13 indique les produits de ces cyclisations. Il fallait différencier la cyclisation des oléfines (22c et 94b) qui se cyclisent à l'aide de BF^ ou du mélange CH^COOH - H^SO^, des acétates (ou des alcools) qui donnent une cycloalcoylation en présence d'acide acétique et d'acide sulfurique, des esters méthyliques (ou des acides) qui utilisent AlCl^ com­ me catalyseurs de réaction.

Nous avons remarqué une réactivité très grande des positions 9 et 10 du phénanthrène. Une réaction de 20 minutes nous a suffi pour cycliser 1'ole­ fine (22c), alors que son homologue naphtalénique demande 1 heure et demie

57

à 2 heures de réaction dans les mêmes conditions pour être complètement cyclisé.

Nous avons eu l'avantage d'obtenir des produits de cyclisation soli­ des qui ne demandaient qu'une seule recristallisation pour être spectrosco- piquement et analytiquement purs. Cependant, nous n'avons pas cherché à

séparer le mélange d'isomères obtenus (cis ou trans), qui sont visibles en R.M.N. (paragraphe III-A-3).

R

R

22a R = CH OCOCH

106 R= CH OCOCH

—

2

3

2

3

22b R =COOCH

107 R= COOCH

3

₃

22c R = CH

105 R = CH

3

3

94 b

₁₀₈

methyl-1 tetrahydro -1,2,3,4

triphenylene

Schéma 13

III—A—2) Conditions de la cyclisation

Dans les substitutions electrophiles il est reconnu que le naphtali­ ne est beaucoup plus réactif que le benzène (88). Nous avons supposé que le phénanthrène était plus réactif que le naphtaline et nous avons orien­ té nos recherches dans la détermination des conditions de cyclisation les plus douces possibles.

Nous avions le choix entre plusieurs catalyseurs de cyclisation: les acides protoniques comme F^SO^, H?PO., HF et les acides de Lewis comme AlClj, BF3, SnCl4.

En général les auteurs utilisaient comme catalyseur l'acide sulfuri­ que (97% ou 55%) (86, 89, 90, 91), mais il s'est avéré un catalyseur trop actif dans le cas des naphtalines.

Dans notre laboratoire, il a été démontré qu'il est préférable de cycliser les acides éthyléniques par le chlorure d'aluminium ou l'acide phosphorique, les alcools et acétates dans une solution d'acides sulfuri­ que et acétique, les oléfines par BF^ ou un mélange d'acides acétique et sulfurique (95:5).

Nous avons éliminé AlCl^ qui donne trop de produits de polymérisa­ tion (sauf dans le cas de l'ester méthylique) et nous avons choisi d'étu­ dier la réaction des pentènes-1 et -2 avec une solution d'acides acétique et sulfurique (95:5 et 97.5:2.5) et avec BF, en solution benzénique. Nous avons déterminé dans ces deux cas les conditions de réaction minima qui permettent de cycliser toute l'oléfine se trouvant dans le milieu réaction­ nel (disparition de vC=C à 1640 cm”1 en I.R., disparition du massif ally- lique à 5-6 p.p.m.) . Nous avons effectué plusieurs essais différents

59

sur 150 mg de produit, puis nous avons reproduit la réaction sur des quan­ tités plus importantes, dans les conditions optimales.

a) BF3

Nous avons opéré en solution benzénique (25 ml pour 1 g) à tempéra­ ture ambiante. Le tableau 7 indique les résultats des essais effectués sur l'oléfine 22c.

TABLEAU 7

CYCLISATION DE 22c PAR BF^ - C^HU

Catalyseur temps de réaction (minutes) rendement % oléfine non cyclisée % polymères % BF3 5 60 37 2 BF3 20

₈₈

0 10 BF3

₃₀

50 0 50

Nous avons donc utilisé un temps de réaction de 15 à 20 minutes. Après extraction l'oléfine cristallise. On la recristallise dans le mé-

b) H

2

SO

4

-CII

3

COOH

Il s'est avéré le catalyseur idéal de nos cyclisations, à condition d'utiliser une très faible proportion d'acide sulfurique. Nous n

1

avons obtenu que très peu de polymérisation.

On opère à reflux dans une solution d'acides acétique et sulfurique (95:5 ou 97.5:2.5). Le tableau

8

indique les résultats des essais effec­ tués sur l'oléfine

22

c.

TABLEAU

8

CYCLISATION DE 22c PAR H^SO^-CH^COOH

Catalyseur ŒLCOOH H-SO, On Lù. lr 0 0 temps de réaction (minutes) rendement % oléfine non cyclisée % polymères %

97.5

2.5

₂₀

₈₅

₀

₁₀

97.5 2.5

₁₀

90

₀

₀

97.5

2.5

5 90

₀

₀

95 5 5 90

₀

₀

La dernière réaction donne le produit de cyclisation le plus pur: il est recristallisé dans le méthanol et reconnu identique au produit de la cyclisation par BFy

61

c) Cyclisation de 1'acétate 22a

Nous avons cyclisê l'acétate en utilisant deux catalyseurs: AlCl^

et

le mélange H^SO^-CH^COOH. Les résultats résumés au tableau 9 montrent les avantages du

mélange

L^SO^-CHjCOOH par rapport à

A1C1?.

Dans les deux cas cependant le produit de cyclisation demande une purification par chroma­ tographie sur colonne.

TABLEAU 9

CYCLISATION DE L’ACETATE 22a

Catalyseur solvant température

temps de réaction (minutes) rendement % aici

3

% ambiante 5

20

CH-COOH 95%

reflux 30 70

H^SO^

5%

d) Cyclisation de l’ester méthylique

22b

Les travaux de Régnault (4) ont montré la supériorité du chlorure d’aluminium dans les cyclisations d’acides arylméthyl-2 pentène-4 orques, alors que les acides protoniques entraînent une forte lactonisation. Nous avons tiré parti de cette étude en cyclisant l’ester méthylique

22

b par AlClg dans le chlorure de méthylène. Le temps de réaction est de trois

minutes et le rendement de 80%.

III-A-3) Etude R.M.N. des produits de cyclisation

Nous avons été aidés dans cette étude par les travaux de Régnault (78) (thèse p. 58). Nous n

1

avons pas remarqué de différences importantes avec ses observations. Le noyau aromatique se présente sous la forme de trois multiplets sortant entre 7.25 et

8.8

p.p.m. Les protons cyclaniques donnent un massif très complexe entre 1.5 et 2.8 p.p.m. Par contre, les méthyles cyclaniques sont visibles et on les distingue facilement des au­

tres protons dans la région 1-1.5 p.p.m.

Nous pouvons assimiler le composé tétrahydro au cyclohexène. Les groupements fixés sur les positions 1 et 4 se placent en général en posi­ tion quasi-équatoriale car c'est la position où

1

'encombrement stérique est le moindre. Cependant, dans notre cas, le méthyle fixé sur la position 4 est gêné en position quasi-équatoriale par

1

'hydrogène situé en position

1

du phénanthrène et prend préférentiellement la position quasi-axiale (sché­ ma 14). Le méthyle en position 2 reste équatorial et donne un doublet cen­ tré à 1.08 p.p.m. Le méthyle en position 4 est plus déblindé, étant plus proche du noyau aromatique, et donne deux doublets centrés respectivement à 1.23 et 1.33 p.p.m. Le doublet qui sort aux champs plus élevés corres­ pond au méthyle quasi-équatorial. Les constantes de couplage des doublets ont une valeur de 6-6.5 Hz. Dans notre cas, nous avons obtenu une super­ position des deux doublets du méthyle situé en position 4 ne donnant que trois raies au lieu des quatre attendues. Ces trois raies se retrouvent dans le spectre de R.M.N. de 1'acétate (106), du carboxylate de méthyle

(107). L’étude de ces signaux montre une plus grande proportion du compo­ sé trans par rapport au cis, estimée à 75% du total. Le methyl-1

tetra-(>

hydro 1, 2, 3, 4 triphénylène (108) ne possédant pas de composés cis et trans ne donne qu'un ; ! doublet centré à

1.11

p.p.m.

R = H ; CH ; CH OCOCH ; COOCH

3 2 3 3

isomere trans

III-A-4) Conclusion

L'étude de la cycloalcoylation de phénanthrylpentènes nous permet d'aboutir aux conclusions suivantes :

- Le trifluorure de bore, considéré comme le meilleur catalyseur dans le cas des naphtyl- et phénylpentènes se trouve être trop réactif dans le cas des phénanthrylpentènes. Le meilleur catalyseur s'a­ vère être le mélange HgSO^-CHhCOOH (95:5 ou 97.5:2.5) dans la cycli­ sation des olêfines et des acétates. Le chlorure d'aluminium est recommandé dans le cas des acides et des esters méthyliques.

- Nous avons noté une réactivité exceptionnelle des positions 9 et 10 du phénanthrène vis-à-vis des réactifs électrophiles. Les résul­ tats obtenus confirment bien notre hypothèse de départ.

III-B) AUTRES CYCLISATIONS ABOUTISSANT A DES CYCLES A SIX ATOMES DE CARBONE

Nous avons tenté de fabriquer la g-hydroxy-cétone (109) par action du chlorométhyl-9 phénanthrylmagnésium sur la pentanedione-2,4.

65

Cette préparation possédait un double intérêt:

1) Etendre l’étude effectuée par Canonne et Leitch (14, 15) en vue de la synthèse de

6

-hydroxycetones à partir de la pentanedione-2,4. La réaction du chlorure de benzylmagnésium sur la pentanedione-2,4 don nait des rendements de 60-751 en hydroxycétone. En utilisant le réac

tif de Grignard du chlorure de p-tolyle, du chlorure d'orthotolyle et de l'a-chlorométhylnaphtalène, on obtenait des rendements similai­ res. Il était intéressant de savoir si la réaction du chlorure de méthyl-9 phénanthrène avec la pentanedione-2,4 donne des résultats

identiques. Cela permettait de savoir si la réaction était générali­ sable dans le cas de noyaux aromatiques plus importants et de déter­ miner

1

'importance de

1

'encombrement stérique lors de l'addition.

2) Utiliser la (3-hydroxycétone (109) ainsi préparée (au cas où les rendements seraient suffisants) pour la synthèse du diméthyl-1,3 tri- phénylène (24b) par cyclisation au moyen du réactif de Bradsher. Des

cyclisations de ce type donnent des rendements de l'ordre de 90%. Cet te synthèse offre l'avantage de s'effectuer en deux étapes seulement à partir du chlorométhyl-9 phénanthrène, alors que la synthèse du di­ méthyl-1,3 triphénylène (24b) n'est réalisée que par des méthodes coû­ teuses (92). On aurait à la fois un gain de temps et un meilleur ren­ dement .

En fait, après avoir effectué la réaction trois fois dans des condi­ tions différentes, nous n'avons pas réussi à isoler 1'hydroxycétone. Nous avons obtenu environ 35% de phénanthryl-9 carbinol, 20% de méthyl-9 phénan­ thrène, 10% de bisphénanthryléthane, 4% de composés cétoniques, le reste

étant un mélange de produits non identifiés. Le réactif de Grignard du chlorométhyl-9 phénanthrène est obtenu avec un rendement plus faible que dans le cas de noyaux aromatiques moins encombrants et l'addition de l'acé- tylacétone est difficile. Nous avons attribué deux causes à cet échec:

1

'encombrement stérique est très important et, la solubilité du réactif de Grignard étant très faible, la présence d'une quantité importante de benzè­ ne peut, si la température est mal contrôlée, conduire à des clivages et des déshydratations importants. Le schéma 15 montre 1'importance de l'en­ combrement stérique dans l'addition du réactif de Grignard sur l'acétyl- acétone réagissant sous la forme énol.

schema 15

III-C) CYCLISATION D'ARYLBUTENES-1. CONCURRENCE DE LA FORMATION DE CYCLES A CINQ ET A SIX ATOMES DE CARBONE

Nous avions l'intention de préparer de nouveaux composés du type phénalane (111) ou benzophénalane (29). A priori, le problème semblait

67

simple car les publications antérieures (

86

, 87, 93, 94, 95, 96) pré­

voyaient que dans le cas où il y a concurrence entre la formation de cyclos à cinq et à six atomes de carbone, le cycle à six se forme préférentielle­ ment, sauf si le carbone intermédiaire est tertiaire.

Nous espérions, en cyclisant le phénanthryl-9 butène-1 (25), obtenir le methyl-1 benzoCflphénalane (29) et appliquer ensuite la réaction à la cyclisation du phénanthrylbutène (94a) et des naphtylbutènes (27a) et (27b), sans avoir la formation d'un cycle à cinq atomes de carbone.

Au cours d'un essai préliminaire de cyclisation, nous avons tenté de cycliser le naphtylbutène-1 (27a) par BF? et nous avons obtenu en R.M.N doux doublets3à

1

'emplacement des méthyles cyclaniques,centrés respective­ ment à 1.22 p.p.m. et 1.31 p.p.m., ce qui semblait indiquer la présence do

deux composés de cyclisation (

110

) et (

111

), chacun de ces composés four­ nissant un doublet.

Nous n'avons pas réussi à séparer ces deux composés par chromato­ graphie, la difficulté étant accrue par le fait qu'ils sont liquides. En reprenant cette même réaction dans le cas du phénanthryl-9 butène (25), nous avons obtenu les mêmes résultats, mais après une séparation soigneuse, nous avons réussi à séparer les deux isomères (28) (30%) et (29) (30%), un composé oléfinique d'isomérisation (

112

) (

10

%), ainsi que plusieurs compo­ sés de dimérisation (30%). Notre but étant de trouver des conditions de cyclisation ne fournaissant qu'un seul produit de cyclisation, nous avons essayé un catalyseur plus doux, en 1'occurrence le mélange H^SO.-CFLCOOH

(5:95 ou 2.5:97.5). Dans ce cas, nous n'avons pas observe de cyclisation, mais la foimation de 1'intermédiaire stable, 1'acétate (113) (page 76).

69

III-C-1) Cyclisation par BF_

Nous avons utilise BF_ en solution benzénique et à temperature ambian­ te sur les deux alcènes suivants : l'a-naphtylbutène-1 (27a) et le phénan- thryl-9 butène-1 (25). Dans les deux cas, nous avons constaté des résultats semblables.

Afin de prouver la structure des produits de cyclisation obtenus, nous avons été amenés à étudier la cyclisation du méthyl

-2

naphtylbutène

-1

(27b) qui ne doit donner qu'un seul produit de cyclisation (114) à cause de la présence du méthyle en ortho de la chaîne oléfinique.

2

7

b 114

Dans ce cas, nous avons effectivement observé la formation d'un seul doublet, correspondant aux méthyles cycluniques, centré à 1.29 p.p.m.

(J=7 Hz).*

Le tableau 10 résume les différents essais effectués sur les olêfines (25), (27a) et (27b) (150 mg). Pour les alcènes (25) et (27a), nous avons re­ pris la réaction sur 5 g dans les conditions jugées les meilleures (90 minu­ tes-solution benzénique-température ambiante).

*

Avec des conditions de cyclisation plus fortes (temps de réaction plus long) on observe des migrations de méthyles, conformément à Régnault (78) et Eisenbraun (95).

TABLEAU 10

CYCLISATION PAR BFj DES ARYLBUTENES-1

oléfine temps de réaction (minutes) rendement en produit cyclisé % oléfine non cyclisée % polymères % 25 15 35 50 15 25 25 45 25 30 25 60 60

₁₀

30 25 90 60

₀

40 27a 30 30 40 30 27a 90 70

₀

30 27b 60 40 30 30 27b

₁₂₀

50

₂₀

30

Etude des produits de cyclisation par R.M.N.

Notre attention s’est portée sur la région des méthyles cyclaniques (1.19 à 1.32 p.p.m.) et sur la région des protons aromatiques (7 à 8.1 p.p.m. dans le cas du noyau naphtalênique, 7 à

8.8

p.p.m. dans le cas du noyau

phénanthrénique).

La cyclisation de l'oléfine (27b) nous a permis de constater que le doublet dû au méthyle cyclanique est centré à 1.29 p.p.m. dans le cas de la formation du cycle à six carbones. Or, le spectre du produit brut de la

71

cyclisation de (27a) indique deux doublets centrés respectivement à 1.22 et 1.31 p.p.m., celui du produit brut de la cyclisation de (25) indique deux doublets situés respectivement à 1.24 et 1.29 p.p.m. Nous avons émis l'hypothèse que le composé qui donne un doublet situé entre 1.28 et 1,32 p.p.m. possède un cycle à six carbones du type (29) et que celui qui donne un doublet situé entre

1.22

et 1.26 p.p.m. possède un cycle à cinq carbo­ nes du type (28). Ceci nous a permis de constater une légère prédominance de formation de cycle à cinq (53% de cycle à cinq et 47% de cycle à six).

L'étude des protons aromatiques des composés cyclisés nous a amené à vérifier cette hypothèse. Nous n'avons pu utiliser qu'une méthode de comparaison, car les protons situés en

1

et

10

sont indiscernables en R.M.N. lorsque la position 9 est substituée, et de la même façon les pro­ tons placés en 9 et 10 ne peuvent être distingués quand la position 1 est substituée (97). Nous avons comparé les spectres du composé (108) (mé- thyl

-1

tétrahydro-

1

,

2

,3,4 triphénylène), et des deux composés de cyclisa­ tion (28) et (29) (figures 1, 2 et 3). Il est clair que (28) et (108) possèdent des bandes aromatiques comparables. Cornu (97) avait étudié le spectre de R.M.N. du diméthyl-9,10 phénanthrène et avait trouvé trois grou­ pes de raies correspondant aux protons aromatiques :

- multiplet centré à 8.59 p.p.m. (2H: protons 4 et 5)

- multiplet centré à 7.98 p.p.m. (2H: protons 1 et

8

)

- multiplet centré à 7.52 p.p.m. (4H: protons 2,3,

6

,7)

Nous trouvons pour le composé tétrahydro (108) les signaux suivants :

spectre de RMN de 28 ( protons aromatiques )

73

8.5

(LO

7.5

PPM

(S)

spectre de R.M.N- de 29 ( bandes aromatiques )

8.5

8.0

7.5

spectre de R.MN- de 108 (protons aromatiques)

PPM (S )

75

- multiplet centré à 7.86 p.p.m. (2H)

- multiplet centré à 7.41 p.p.m. (4H)

Pour le composé cyclanique (28), nous avons obtenu les groupes de raies suivants:

- multiplet centré à 8.56 p.p.m. (2H)

- multiplet centré à 7.88 p.p.m. (2H)

- multiplet centré à 7.46 p.p.m. (4H)

Le composé cyclanique (29) possède un massif aromatique beaucoup plus complexe et ceci rejoint les observations de Comu (97) qui n'était pas en mesure d'expliquer la structure du massif aromatique étant donné la super­ position des spectres de type AB (protons 9 et 10), ABC (protons 2,3 et 4) et ABCD (protons 5,6,7 et

8

). Dans notre cas le proton 10 doit sortir sous forme d'un singulet, il doit être assez fortement blindé par la présence d'un groupement alcoyle en position 9: on pourrait lui attribuer le signal situé à 7.31 p.p.m. (signal le plus intense). Le multiplet centré à 8.56 p.p.m. correspond à deux protons (protons 4 et 5), le reste des signaux

correspond à six protons.

III-C-2) Essai de cyclisation par le mélange I-^SO^-QLCOOH

Nous avons fait réagir l'alcène (25) à reflux dans le mélange H-jSO^-CHgCOOH (5:95 et 2.5:97.5). Quel que soit le temps de réaction

(tableau 9) nous avons toujours obtenu comme produit principal un composé donnant en I.R. des bandes inattendues (bandes intenses à 1740 an

-1

et

1260 cm-1). Après de multiples lavages au bicarbonate, les bandes n'avaient pas diminué d'intensité. Après deux recristallisations, nous avons obtenu un composé pur (113) auquel nous avons attribué, après étude du spectre de R.M.N. (figure 4), la structure suivante:

OCOCH

TABLEAU 11

CYCLISATION DE PHENANTHRYL-9 BUTENE-1 PAR

H^SO^-CHgOOOH

H^SO, % ŒLCOOH % temps de réaction % rendement Q.

0

2.5 97.5

₂₀

85 2.5 97.5 30 90 2.5 97.5 40 95 5 95 25 95 Identification de l'acétate (113)

En R.M.N. on retrouve le signal -OCOQ4L se manifestant sous forme d'un singulet à 1.95 p.p.m. On aperçoit un doublet centré à 1.20 p.p.m. possédant une constante de couplage de

6

Hz; on pourrait le confondre avec

/ /

OCOC

H

8.5

8.0

7 5 PPM (6)

8.5

signaux aromatiques des composes 25 et 113 en RMN

un méthyle cyclanique, mais la présence cl'un groupement attracteur -0C0C1L voisin permet d'expliquer ce déblindage (déblindage un peu plus faible que celui d'une double liaison). Dans la région 4.7 à 5.3 p.p.m. apparaît un multiplet dans lequel on distingue quatre signaux plus intenses dont la constante de couplage est de

6

Hz (couplage avec le méthyle voisin). Les autres signaux d'intensité plus faible sont dus au couplage avec le méthy­ lène voisin. Dans la région 2.8 - 3.2 p.p.m. se trouve un multiplet que l'on attribue à un groupement -Œ^ benzilique. Dans la région 1.5 - 2,4 p.p.m. sortent les signaux d'un deuxième méthylène, masqués en partie par le signal intense -OCOCH^.

L'analyse élémentaire confirme la formule brute £

20

^

20

^

2

*

Interprétation de ce résultat

Comme nous l'avons vu au paragraphe III-C-1, la cyclisation des phé- nanthrylbutènes

-1

demande des conditions opératoires plus fortes que la cyclisation des phénanthrylpentènes (par BF?, 90 minutes au lieu de 15) et on observait une cyclisation partielle accompagnée de polymérisation. Avec l'acide acétique,

1

'acétate intermédiaire stable se forme au détriment des produits cyclisés beaucoup moins stables (ils jaunissent à la lumière, se décomposent sur plaques de gel de silice).

Ces résultats ne nous ont pas étonnés outre mesure car Eisenbraun (95) avait noté un comportement semblable des oléfines (116) et (117) avec l'aci­ de trifluoroacétique: elles donnaient un trifluoroacétate (119) stables au lieu des indanes (120) et (121) attendus. Il expliquait la formation de (119) par sa "stabilité relative".

79

III—C—3) Conclusion

Cette étude de cyclisation des phénanthrylbutènes-1 apporte plusieurs éléments nouveaux:

- Elle nous a permis de synthétiser deux composés cycliques nou­ veaux (28) et (29). Cependant nous ne pensons pas que la cyclisa­ tion des phénanthrylbutènes

-1

puisse être utilisée comme méthode de préparation de ces composés à cause de la formation d'un mélange de deux produits difficiles à séparer et de la forte polymérisa­ tion qui accompagne la cyclisation.

rendre compte des limites de ce catalyseur, excellent pour la cyclisation des phénanthrylpentènes, trop doux pour les phénan- thrylbutènes.

- L'étude des conditions minimales de réaction a permis une mise au point des conditions opératoires fournissant les meilleurs résul­ tats .

Nous nous permettrons de donner quelques suggestions qui facilite­ raient 1'identification des composés (28) et (29):

- Un spectre de masse des deux composés cyclaniques (28) et (29) permettrait sans doute de noter quelques différences dans les

fragmentations.

Une cyclisation de (26) donnera les composés de cyclisation (30) et (31). Une comparaison des spectres de R.M.N. de (29) et (31) serait très intéressante car ces deux composés ne diffèrent que par la position d'un méthyle.

CHAPITRE IV

Nous proposons dans ce chapitre une nouvelle synthèse du dime­ thyl- 1,3 triphénylène (24b). Jusqu’à présent, seul Heaney et Lees (92) avaient préparé ce composé par une réaction d'aryne suivant le schéma 16.

n- Bu U

( 24 b )

schémaIG .-préparation du dimethyl-1,3 triphénylène

Le rendement de la réaction est faible (21%) et les produits de réaction coûteux.