Synthèses de nouveaux ligands chiraux de type
bipyridine et utilisation de sels de fer dans des
réactions d’oxydation énantiosélectives de sulfures
et des réactions d’insertion de diazocétones
dans les liaisons S–H et Si–H
Thèse
Angela Jalba
Doctorat en chimie
Philosophiæ doctor (Ph.D.)
Québec, Canada
© Angela Jalba, 2017
Synthèses de nouveaux ligands chiraux de type
bipyridine et utilisation de sels de fer dans des
réactions d’oxydation énantiosélectives de sulfures
et des réactions d’insertion de diazocétones
dans les liaisons S–H et Si–H
Thèse
Angela Jalba
Sous la direction de :
III
Résumé
Dans le contexte actuel où la chimie verte a une place importante, nous avons travaillé à l’optimisation de la synthèse de plusieurs ligands chiraux de type bipyridine. Nous avons développé des méthodes efficaces pour la synthèse d’une série de six ligands chiraux bipyridines bisoxazolines à symétrie C2, parmi lesquels quatre n’ont jamais été décrits dans
la littérature. Nous avons développé une méthode de synthèse efficace d’un précurseur de ligands chiraux analogues à celui de Bolm pour une utilisation en catalyse hétérogène. Même si la synthèse n’est pas complète à ce jour, notre étude a permis d’optimiser plusieurs étapes de la voie synthétique.
Nous avons développé des méthodologies de synthèses à base de métaux tels le fer, le cuivre ou le bismuth afin de répondre à plusieurs principes de la chimie verte. Nous avons particulièrement utilisé le fer dans nos projets de recherche, car c’est un métal abondant, donc peu coûteux, et environnementalement bénin. En utilisant le catalyseur chiral non-hémique (N4)FeII généré in situ (bipybox-i-Pr/FeCl2), nous avons développé un procédé très
énantiosélectif (jusqu'à 98,5:1,5 er) pour l’oxydation énantiosélective de sulfures conduisant à de bons rendements en sulfoxydes. Cela est possible lorsque la mono-oxydation du sulfure est réalisée en tandem avec le dédoublement cinétique du sulfoxyde en sulfone. Nous avons également déterminé que le Bi(OTf)3∙4H2O complexé avec le ligand de Bolm est un bon
choix en oxydation asymétrique des sulfures car une énantiosélectivité allant jusqu’à 78:22 er et un rendement de 65% ont été obtenus. Pour la première fois, nous avons rapporté la réaction d'insertion d'𝛼-diazocétones dans les liaisons Si–H et S–H catalysée par le [(CH3CN)4Cu]PF6 ou le Fe(OTf)2. En utilisant une faible charge catalytique de 0,05 mol %
en [(CH3CN)4Cu]PF6, nous avons synthétisé une large gamme d'α-silylcétones avec des
rendements faibles à bons. Le Fe(OTf)2 a été engagé dans les réactions d’insertion de
différentes α-diazocétones dans les liaisons Si–H et S–H. Malheureusement, de faibles rendements en α-silylcétones ont été obtenus. Par contre, des rendements variés allant de faibles à très bons ont été obtenus en α-thiocétones. Désormais, toutes ces méthodes s'inscrivent dans une optique de chimie verte et auront certainement un impact important dans le domaine de la catalyse.
IV
Abstract
In the current context where green chemistry has an important place, we have worked to synthesize several chiral bipyridine-type ligands. We have developed efficient methods for the synthesis of a series of six chiral bipyridine bisoxazoline ligands with C2 symmetry, where
four of them have never been described in the literature before. We have developed an efficient method for the synthesis of chiral ligand precursor analogous of Bolm’s ligand to use in heterogeneous catalysis. Although the synthesis of this ligand is not complete to date, our study has optimized several stages of the synthetic pathway. We have also developed synthetic methodologies based on metals such as iron, copper, and bismuth for being agree to several principles of green chemistry. We have particularly used iron extensively in our research projects because it is abundant, inexpensive, and environmentally benign. We have developed a highly enantioselective catalytic system (up to 98.5:1.5 er) for the oxidation of sulfides leading to good yields of sulfoxides using the non-heme chiral (N4) FeII catalyst
generated in situ (bipybox-i-Pr/FeCl2). This was made possible when the sulfide
mono-oxidation was carried out in tandem with kinetic resolution of the sulfoxide into the sulfone.
We have also determined that Bi(OTf)3∙4H2O complexed with Bolm’s ligand is a good choice
in asymmetric oxidation of sulfides because of reaching the enantiomeric ratios up to 78:22 er in a 65% yield. For the first time, we have reported the α-diazoketones insertion reaction
into the Si–H and S–H bonds catalysed by [(CH3CN)4Cu]PF6 and Fe(OTf)2. We synthesized
a wide range of α-silylketones with low to good yields (26–70%) using a low catalytic loading of 0.05 mol % of [(CH3CN)4Cu]PF6. Fe(OTf)2 has been involved in the insertion
reactions of different α-diazoketones into the Si–H and S–H bonds as well. Unfortunately, low yields of α-silylketones were obtained. Moreover, α-thioketones were obtained in poor to very good yields. Now all these methods will be part of the chemists toolbox in green synthetic chemistry and will certainly have an important impact in the field of catalysis.
V
Table de matières
Résumé ... III Abstract ... IV Liste des tableaux ... VII Liste des schémas ... IX Liste des figures ... XII Liste des abréviations ... XIII Remerciements ... XVI
Introduction ... 1
0.1 MISE EN CONTEXTE ... 1
0.1.1 Chimie verte ... 1
0.1.2 Catalyse asymétrique organométallique ... 3
0.1.3 Chimie du fer ... 5
0.1.4 Oxydation énantiosélective ... 8
0.1.5 Composés diazoïques ... 9
Chapitre 1 Synthèse de ligands chiraux de type bipyridine ... 12
1.1LIGANDS DE TYPE BIPYRIDINE BISOXAZOLINES (BIPYBOX) ... 12
1.2CRISTALLISATION DES COMPLEXES DE FER ... 21
1.3LIGANDS DE TYPE BIPYRIDINE POUR LA CATALYSE HÉTÉROGÈNE ... 24
1.4CONCLUSIONS ... 40
Chapitre 2 Oxydation énantiosélective de sulfures aromatiques ... 43
2.1INTRODUCTION ... 43
2.2MÉTHODES DE SYNTHÈSE ... 46
2.3OXYDATION ÉNANTIOSÉLECTIVE DES SULFURES AROMATIQUES CATALYSÉE PAR DES COMPLEXES DE FER... 52
2.3.1 Mise en contexte ... 52
2.3.2 Résultats et discussion ... 58
2.3.3 Aspects mécanistiques ... 73
2.3.4 Application : Oxydation asymétrique du Sulindac ... 76
2.3.5 Conclusions : Oxydation énantiosélective des sulfures aromatiques catalysée par des complexes de fer ... 78
2.4OXYDATION ÉNANTIOSÉLECTIVE DES SULFURES AROMATIQUES CATALYSÉE PAR DES COMPLEXES DE BISMUTH ... 79
2.4.1 Mise en contexte ... 79
2.4.2 Résultats et discussion ... 79
2.4.3 Conclusions : Oxydation énantiosélective des sulfures aromatiques catalysée par des complexes de bismuth ... 84
Chapitre 3 Réactions catalytiques de formations de liaisons C–C, C–Si et C–S à partir des composés diazoïques ... 86
3.1.RÉACTION DE CYCLOPROPANATION ÉNANTIOSÉLECTIVE CATALYSÉES PAR DES COMPLEXES ORGANOMÉTALLIQUES DE FER ET DE CUIVRE ... 86
VI
3.1.1. Introduction ... 86
3.1.2. Résultats et discussion ... 92
3.1.3. Conclusions : Réaction de cyclopropanation énantiosélective catalysée par des complexes organométalliques de fer et de cuivre ... 98
3.2.RÉACTION NON ÉNANTIOSÉLECTIVE D’INSERTION DES CARBÈNES D'𝛼-DIAZOCÉTONES DANS DES LIAISON S–H ET SI–H CATALYSÉES PAR DES SELS DE CUIVRE OU DE FER ... 99
3.2.1. Introduction ... 99
3.2.2. Réaction non énantiosélective d’insertion des carbènes d'𝛼-diazocétones dans des liaison S–H et Si–H catalysées par des sels de cuivre ... 104
3.2.3. Réaction non énantiosélective d’insertion des carbènes d’𝛼-diazocétones dans des liaisons S–H et Si–H catalysées par des sels de fer ... 112
3.2.4. Conclusions : Réaction non énantiosélective d’insertion des carbènes d’𝛼-diazocétones dans des liaisons S–H et Si–H catalysées par des sels de cuivre ou de fer ... 118
Chapitre 4 Conclusions générales et perspectives ... 120
4.1.SYNTHÈSE DE LIGANDS CHIRAUX ... 120
4.1.1 Ligands de type bipyridine bisoxazolines (bipybox) ... 120
4.1.2 Ligands de type bipyridine pour la catalyse hétérogène ... 121
4.2OXYDATION ASYMÉTRIQUE DE SULFURES AROMATIQUES ... 123
4.3RÉACTIONS CATALYTIQUES DE FORMATION DE LIAISONS C–C,C–SI ET C–S À PARTIR DE COMPOSÉS DIAZOÏQUES ... 125
Partie expérimentale ... 129
REMARQUES GÉNÉRALES ... 129
EXPERIMENTAL PROCEDURES AND COMPOUND CHARACTERIZATION ... 131
Bibliographie ... 181
VII
Liste des tableaux
Tableau 1. Oxydant classique ... 8
Tableau 1.1 Ligands bipybox : conditions pour la réaction de condensation ... 15
Tableau 1.2 Utilisation du Zn(OTf)2 pour la réaction de condensation dans la synthèse de bipybox-i-Pr ... 17
Tableau 1.3 Synthèse de bipybox-i-Pr : utilisation de différents catalyseurs pour la réaction de condensation ... 18
Tableau 1.4 Synthèse de bipybox-i-Pr: utilisation du système catalytique Zn(OTf)2/Bi(OTf)3... 19
Tableau 1.5 Synthèse de bipybox-i-Pr : utilisation du système catalytique Co(NO3)2/Soufre ... 20
Tableau 1.6 Piégeage des produits intermédiaires (24, 28a-b, 34–38) avec PivCN ou PivCHO .... 34
Tableau 1.7 Homocouplage du 49 ... 39
Tableau 2.1 Réaction d’oxydation de méthyl phényl sulfure en utilisant le ligand 65 ... 59
Tableau 2.2 Réaction d’oxydation du phényl méthyl sulfure :influence de sels de fer... 60
Tableau 2.3 Réaction d’oxydation du phényl méthyl sulfure : influence des ligands ... 61
Tableau 2.4 Réaction d’oxydation du méthyl phényl sulfure avec FeCln/pybox ... 62
Tableau 2.5. Oxydation asymétrique du méthyl phényl sulfure (73a) : investigation de l'effet de la structure du ligand ... 64
Tableau 2.6 Optimisation des conditions réactionnelles pour l'oxydation du thioanisole (73a) : influence de différents sels de fer, en utilisant le ligand bipybox-i-Pr 7 ... 65
Tableau 2.7 Optimisation des conditions réactionnelles pour l'oxydation du thioanisole (73a) : influence de différents solvants et températures avec bipybox-i-Pr-FeCl2 ... 66
Tableau 2.8 Optimisation des conditions réactionnelles pour l'oxydation du thioanisole (73a) : influence de différents mélanges THF/ROH avec bipybox-i-Pr-FeCl2 ... 67
Tableau 2.9 Optimisation des conditions réactionnelles pour l'oxydation du thioanisole (73a) : influence de différentes charges catalytiques de bipybox-i-Pr/FeCl2 dans le THF ... 68
Tableau 2.10 Oxydation de sulfoxyde racémique rac-74a utilisent le system FeCl2 /bipybox-i-Pr/H2O2 ... 70
Tableau 2.11 Oxydation asymétrique de sulfure : influence de l'UHP ... 72
Tableau 2.12 Oxydation asymétrique de divers sulfures d'aryl en utilisant FeCl2/bipybox-i-Pr ... 72
Tableau 2.13 Oxydation asymétrique des sulfures en sulfoxydes : influence de l'oxydant ... 74
Tableau 2.14 Oxydation asymétrique des sulfures en sulfoxydes–influence des sels de bismuth ... 80
Tableau 2.15 Oxydation asymétrique des sulfures: influence de la charge catalytique ... 80
VIII
Tableau 2.17 Oxydation asymétrique des sulfures en sulfoxydes : influence de la charge catalytique
et de la température ... 83
Tableau 2.18 Oxydation asymétrique des sulfures en sulfoxydes : influence de MeCN comme
solvant ... 84
Tableau 3.1 Développement méthodologique de la réaction de cyclopropanation avec des
catalyseurs à base de cuivre ... 96
Tableau 3.2 Développement méthodologique de la réaction de cyclopropanation avec des
catalyseurs à base de cuivre ... 96
Tableau 3.3 Optimisation de conditions réactionnelles pour la réaction d’insertion Si–H ... 107 Tableau 3.4 Optimisation des conditions réactionnelles pour la réaction d’insertion Si–H ... 109 Tableau 3.5 Optimisation des conditions réactionnelles pour la réaction d’insertion dans la liaison
S–H ... 111
Tableau 3.6 Optimisation des conditions réactionnelles pour l'insertion dans la liaison Si–H de la
IX
Liste des schémas
Schéma 1. Catalyse organométallique ... 4
Schéma 2. Exemples d’utilisation des complexes de fer dans la catalyse asymétrique organométallique. ... 7
Schéma 3. Carbènes donneur/accepteur ... 10
Schéma 1.2 Synthèse de ligands bipybox ... 14
Schéma 1.3 Synthèse de ligands bipybox via une voie plus courte ... 16
Schéma 1.4 Synthèse de bipybox-i-pr : réaction de cyclisation ... 21
Schéma 1.5 Rétro-synthèse de ligand greffé sur la silice ... 26
Schéma 1.7 Méthodes de greffage sur silice ... 28
Schéma 1.8 Préparation des produits 24 ... 28
Schéma 1.9 Synthèse de produits 28a, b ... 29
Schéma 1.10 Synthèse du substrats 34–38 ... 29
Schéma 1.11 Piégeage du produit intermédiaire [24, 28a-b, 34–38] avec pivcn ou pivcho ... 30
Schéma 1.12 Pivaloylation du produit 24 ... 31
Schéma 1.13 Pivaloylation du produit 42 et 43 ... 32
Schéma 1.14 Pivaloylation du produit 28a (a); piégeage de la réaction avec du D2O (b) ... 33
Schéma 1.15 Synthèse de l’alcool énantioenrichie 58 (a); réduction du produit 44 (b) ... 36
Schéma 1.16 Préparation du dérivé-stannylé... 37
Schéma 1.17 Homocouplage du produit 50 ... 37
Schéma 1.18 Homocouplage du produit 49 ... 38
Schéma 1.19 Réaction d’estérification suivi de l’homocouplage ... 38
Schéma 1.20 Réaction de l’hétérocouplage ... 40
Schéma 1.21 Réaction de greffage ... 40
Schéma 2.1 Synthèse de (–)-colletol et (+)-colletodiol ... 44
Schéma 2.2 Synthèse de la (+)-royleanone ... 44
Schéma 2.3 Synthèse de (R)-curcuphénol ... 44
Schéma 2.4 Exemple d'utilisation de ligand contenant le motif sulfinyle chiral ... 46
Schéma 2.5 Exemple d'utilisation de ligands contenant le motif sulfinyle chiral ... 46
Schéma 2.6 Exemple d'utilisation de ligands contenant le motif sulfinyle chiral ... 46
X
Schéma 2.8 Dédoublement cinétique de sulfoxydes ... 48
Schéma 2.9 Système d’oxydation utilisé par Katsuki ... 49
Schéma 2.10 Exemple d’utilisation d’oxydant chiral de type hydroperoxyde ... 49
Schéma 2.11 Exemple d’utilisation d’oxydant chiral de type sulfonyle oxaziridine ... 49
Schéma 2.12 Exemple d’utilisation d'oxydation biologique-cyclodextrine ... 50
Schéma 2.13 Exemple d’utilisation d'oxydation biologique-SAB ... 50
Schéma 2.14 Exemple d’utilisation d'oxydant biologique-P450 ... 50
Schéma 2.15 Oxydation asymétrique des sulfures de Kagan (a) et Modena (b) ... 51
Schéma 2.16 Méthode générale de synthèse des sulfoxydes chiraux utilisant des complexes de Fe 52 Schéma 2.17 Oxydation asymétrique de Bolm... 55
Schéma 2.18 Mécanisme proposé pour l’oxydation de sulfure (a); complexe bipybox-iPr/FeBr2 21 (b) ... 75
Schéma 2.19 Synthèse asymétrique du Sulindac par Maguire ... 76
Schéma 2.20 Oxydation asymétrique du Sulindac par Bolm ... 77
Schéma 2.21 Réduction du Sulindac racémique ... 77
Schéma 2.22 Oxydation asymétrique du Sulindac ... 78
Schéma 3.1 Réaction du styrène avec des alkyldiazoacétates ... 86
Schéma 3.2 Cyclopropanation asymétrique intramoléculaire développée par Nakada ... 88
Schéma 3.3 Développement méthodologique de la réaction de cyclopropanation avec des catalyseurs à base de fer ... 93
Schéma 3.4 Développement méthodologique de la réaction de cyclopropanation avec des catalyseurs à base de fer ... 94
Schéma 3.5 Développement méthodologique de la réaction de cyclopropanation avec des catalyseurs à base de cuivre ... 95
Schéma 3.6 Réaction de cyclopropanation–utilisation du système catalytique Cu(OTf)2-7 dans DBE ... 95
Schéma 3.7 Utilisation de Rh2(OAc)4 dans la réaction d’insertion de différents composés diazo dans des liaisons Si–H ... 99
Schéma 3.8 Utilisation de Rh2L4 chiraux par Doyle et Moody ... 100
Schéma 3.9 Utilisation de Rh2L4 chiral par Davies ... 100
Schéma 3.10 Utilisation des aryl-trifluoro-diazoalcanes dans la réaction d’insertion par Gouverneur ... 102
Schéma 3.11 Utilisation de [(MeCN)4Cu]PF6 comme catalyseur par Gouverneur ... 102 Schéma 3.12 Utilisation de l’urée et du phosphate comme catalyseurs par Burtoloso et Mattson 103
XI
Schéma 3.13 Schéma général pour les réactions d'insertion d’α-diazoesters et d’α-diazocétones
dans les liaisons Si–H et S–H ... 105
Schéma 3.14 Réaction d'insertion d’α-diazophénylesters dans la liaison Si–H catalysée par le cuivre ... 105
Schéma 3.15 Réaction d'insertion d’α-diazophénylacétate de méthyle dans la liaison S–H catalysée par le cuivre ... 106
Schéma 3.16 Préparation d’α-diazophénylcétones: méthode (a) et méthode (b); synthèse de la cétone 90 et 91 (c) ... 106
Schéma 3.17 Insertion de l'𝛼-diazocétone à l'aide d'un catalyseur au cuivre ... 111
Schéma 3.18 Réaction d'insertion d’α-diazoarylesters dans la liaison Si–H catalysée par du sel de fer ... 112
Schéma 3.19 Réaction d'insertion d’α-diazoarylesters dans la liaison S–H de divers thiols catalysée par un sel de fer ... 113
Schéma 3.20 Réaction d'insertion d’α-diazocétones dans la liaison Si–H catalysée par du fer ... 115
Schéma 3.21 Réaction d'insertion d’α-diazocétones dans la liaison S–H catalysée par Fe(OTf)2 . 115 Schéma 3.22 Réaction d’insertion d'𝛼-diazocétones dans la liaison S–H catalysée par Fe(OTf)2 . 116 Schéma 4.1 Synthèse du ligand bipybox-i-Pr via la méthode catalytique ... 121
Schéma 4.2 Perspective dans la synthèse de ligands hétérogènes ... 122
Schéma 4.3 Perspective dans la synthèse de ligands hétérogènes ... 123
Schéma 4.4 Perspective dans la synthèse de ligands hétérogènes ... 123
Schéma 4.5 Oxydation énantiosélective du sulfure en utilisant le système catalytique FeCl2/bipybox-i-Pr ... 124
Schéma 4.6 Oxydation énantiosélective du Sulindac-sulfure en utilisant le système catalytique FeCl2/bipybox-i-Pr ... 124
Schéma 4.7 Oxydation énantiosélective du sulfure en utilisant le système catalytique BI(OTf)3∙4H2O/ligand de Bolm ... 125
Schéma 4.8 Cyclopropanation énantiosélective en utilisant le système catalytique Cu(OTf)2 -diamine ... 126
Schéma 4.9 Insertion d'𝛼-diazocétones dans la liaison Si–H en utilisant [(MeCN)4Cu]PF6 ... 126
XII
Liste des figures
Figure 1. Prix du marché des métaux de transition estimés en 2008... 5
Figure 2. Nombre de publication dans la catalyse avec des complexes de fer au cours des années ... 6
Figure 3. Les trois classes de carbènes métalliques ... 9
Figure 1.1 ß-Aminoalcools utilisés dans la synthèse de ligands bipybox ... 15
Figure 1.2 Ligands bipybox – Exemples de la littérature synthétisé via la méthode catalytique ... 16
Figure 1.3 Complexe 21 {[Fe-(bipybox-i-Pr)(H2O)Br]+Br– }2∙2MeCN. ... 22
Figure 1.4 (a) Complexe [Fe-(bipybox-Ph)2][O(FeCl3)2)]∙MeCN 22; (b) dodécaèdre (D2d); (c) Réaction de complexation de [Fe-(bipybox-Ph)2][O(FeCl3)2)]∙MeCN 22 ... 23
Figure 1.5 (a) Exemple de ligands chiraux supportés par SiO2; (b) Ligand de Bolm ... 25
Figure 1.6 Nouveau ligand greffé sur la silice... 26
Figure 1.7 Groupes fonctionnels sélectionnés ... 27
Figure 2.1 Structure pyramidale de sulfoxyde... 43
Figure 2.2 Exemples d'utilisation de sulfoxydes dans l'industrie pharmaceutique (a); Ligands contenant le motif sulfinyle chiral (b) ... 45
Figure 2.3 Application industrielle de la méthode Ti/DET ... 51
Figure 2.4 Acides de Brønsted chiraux rapporté par List ... 52
Figure 2.5 Systèmes Fer-porphyrines de Graves (a) et Maruyama (b) ... 53
Figure 2.6 Système Fer-porphyrine de Inoue (a), et Fer-porphyrine de Simonneaux (b) ... 54
Figure 2.7 Système Fer-non-hémique de Fontecave ... 54
Figure 2.8 Les ligands utilisés par Tsogoeva (a), Abdi (b), Klein Gebbink (c) ... 55
Figure 2.9 Ligands utilisés par Bryliakov (a), Katsuki (b), Chakraborty (a1), Liu et Cui (c) ... 56
Figure 2.10 Ligand utilisé par List ... 57
Figure 2.11 Ligands chiraux à symétrie C2 utilisés pour la catalyse asymétrique de la réaction d’oxydation des sulfures ... 59
Figure 2.12 Relation entre la formation de sulfone et ee de sulfoxyde ... 71
Figure 2.13 Sulindac racémique... 76
Figure 3.1 Ligands bisoxazolines les plus utilisés ... 87
Figure 3.2 Ligands de type box employés par Mayer, Ikeda, Khanbabaee et Pfaltz ... 88
Figure 3.3 Ligands immobilisés sur des matériaux mésoporeux et sur des supports polymères ... 89
Figure 3.4 Ligands de type bipyridine ... 90
Figure 3.5 Ligands Fe-porphyrines et Co-salen ... 90
Figure 3.6 Ligands engagés avec le ruthénium ... 91
Figure 3.7 Ligands chiraux à symétrie C2 utilisés en catalyse asymétrique de la réaction de cyclopropanation ... 92
Figure 3.8 RMN 1H du brut réactionnel de cyclopropanation entre les substrats 84 et 85 ... 94
Figure 3.9 Méthodes énantiosélectivés pour la réaction d’insertion ... 101
Figure 4.1. Ligands chiraux bipyridine bisoxazoline ... 120
Figure 4.2 β-aminoalcools utilisés dans la synthèse de ligands bipybox ... 121
Figure 4.3 Synthèse de nouveaux précurseurs de ligands de type bipyridine analogues au ligand de Bolm ... 122
XIII
Liste des abréviations
[𝛼]D rotation optique ; raie D du sodium
Å Angström ABSA acétamidobenzènesulfonylazidure Ac acétylé Alk alkyle aq. aqueux Ar aryle BIP polyisobutylène bipy bipyridine
bipybox bipyridine bisoxazoline
box bisoxazoline
br large
c concentration en g/100 mL
c- cyclo-
°C degré Celcius
cat. catalytique; catalyseur
Conc. concentré; concentration
m-CPBA acide méta-chloroperoxybenzoïque
CPMeO méthoxycyclopentane
d doublet
de excès diastéréoisomérique
DBE 1,2-dibromoéthane
DBU 1,8-diazabicyclo[5.4.0]undéc-7-ène
DET tartrate de diéthyle
décomp. décomposition DMAP 4-(N,N-diméthylamino)pyridine DME 1,2-diméthoxyéthane DMF diméthylformamide DMSO diméthylsulfoxyde dr ratio diastéréoisomérique
XIV
DRX diffraction des rayons X
ee excès énantiomérique équiv.; éq. équivalent Et éthyle er ratio énantiomérique g gramme h heure Hex hexyle HMPA hexaméthylphosphoramide
HPLC chromatographie en phase liquide à haute performance
HRMS spectre de masse à haute résolution
Hz hertz IR infrarouge j jour J constante de couplage L Litre; ligand LI liquide ionique m multiplet M molaire ; métal maj. majoritaire Me méthyl mg milligramme min minutes mL millilitre mmHg millimètre de mercure mmol millimole
MOF réseaux de coordination (Metal-organic framework)
mp point de fusion
Ms mésyl, méthanesulfonyl
N normal
NMP N-méthyl-2-pyrrolidone
XV p- para- pb (-)-4,5-pinène-2,2'-bipyridine PCC chlorochromate de pyridinium Piv pivaloyl Ph phényle
ppm partie par million
Pr propyle
pybox pyridine bisoxazoline
q quadruplet
quant. quantitatif
rdt rendement
RMN, NMR résonance magnétique nucléaire
s singulet
SAB sérum d'albumine de bovin
salen salicylidène éthylènediamine
t triplet
T température; temps
t- tert
TBAB bromure de tétra-N-butylammonium
TDAE tétrakis(diméthylamino)éthylène
TEBAC chlorure de benzyltriéthylammonium
THF tétrahydrofurane
TLC chromatographie sur couche mince
TMS triméthylsilyle ; tétraméthylsilane TM tamis moléculaire TMEDA tétraméthyléthylènediamine tR temps de rétention Tr triphénylméthane Ts tosyl
UHP urée-peroxyde d'hydrogène
XVI
Remerciements
Cette thèse a été réalisée au sein du laboratoire du Professeur Thierry Ollevier. Je tiens avant tout à le remercier pour m'avoir donné l'opportunité d'effectuer mon doctorat dans son groupe. Je lui suis très reconnaissante de m'avoir fait confiance, de m'avoir accordé autant de liberté dans mes projets de recherche, et pour le temps qu’il m’a consacré tout au long de mes études. J'ai ainsi appris à travailler de façon rigoureuse et autonome. Je tiens à le remercier également pour m'avoir donné l’occasion d'exposer mes travaux dans le cadre de congrès.
Je tiens à remercier également les Professeurs Hélène Lebel, Jean-François Paquin, Denis Giguère pour avoir pris le temps de lire cette thèse et d’apporter leurs corrections.
Je remercie mes collègues de travail, avec qui j’ai pu partager de nombreuses discussions scientifiques et avec qui j'ai eu beaucoup de plaisir à travailler. Merci à Hoda Keipour, Mao Li, Di Meng, Virginie Carreras, Samuel Lauzon, Dazhi Li, Xu Wan, Nour Tanbouza, Mathieu Lafantaisie et Martin Pichette Drapeau d’avoir agrémenté chacune de mes journées au laboratoire. Je remercie tout particulièrement Hoda Keipour avec qui nous avons formé une belle équipe sur le plan professionnel mais aussi amical. Merci également aux stagiaires Léo Delage-Laurin, Pierre-Louis Lagueux-Tremblay, Guillaume Levitre, Denis Zufferey, Noémie Régnier, Mélissa Gao, Marie Gonay et Charline Koch qui ont contribué de près ou de loin à l’avancement de mes recherches, et ont su créer une excellente ambiance au sein du laboratoire.
Merci beaucoup à Virginie Carreras, Hoda Keipour et Claire Besnard d’avoir pris du temps pour relire ma thèse et apporter des corrections.
Je remercie mes collègues du Département de chimie, le groupe du Professeur Boukouvalas, le groupe du Professeur Paquin et le groupe du Professeur Morin pour leur disponibilité, que ce soit pour le prêt de produits chimiques ou pour le prêt d’équipements. Je tiens également à remercier l'ensemble du personnel du Département de chimie, Mélanie Tremblay, Jean Laferrière, Christian Côté et Pierre Audet pour leur grand professionnalisme et leur grande disponibilité.
XVII
Malgré la distance, ma famille a toujours été présente pour m’encourager et me soutenir dans tous mes projets. Je tiens à remercier du plus profond de mon cœur mes chers parents Rodica Jalba et Valeriu Jalba, ma sœur Viorica Savin, mon frère Adrian Jalba, mon beau-frère Nicolae Savin et ma belle-sœur Paula Madalina Jalba.
Je tiens à remercier tout particulièrement mon mari Amine. Tu as su être à l’écoute pendant les moments difficiles, tu n’as cessé de me soutenir et de m’encourager quand j’en avais le plus besoin. Je ne te remercierai jamais assez pour tout ce que tu as fait pour moi et pour tous les beaux moments passés ensemble.
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Introduction
0.1 Mise en contexte
0.1.1 Chimie verte
La chimie verte est une autre façon de penser en chimie. Cette philosophie vise à encourager les chimistes à réfléchir sur des processus innovants et créatifs. Le développement de procédures durables, grâce à l’utilisation de réactifs à caractère bénin et en améliorant la sélectivité des transformations chimiques pour accéder aux composés organiques, est l'un des objectifs fondamentaux de la recherche en chimie moderne. Les chimistes se doivent de développer des ''réactions chimiques parfaites'' très sélectives [1] réalisées avec des rendements quantitatifs et sans former de déchets.[2] Ainsi, des efforts intensifs ont été consacrés au développement de réactions énantiosélectives permettant l’économie d’atomes et impliquant des réactifs verts ne produisant que des déchets inoffensifs.[3] La catalyse contribue de manière significative à la réalisation de ces objectifs.[4]
Le concept de chimie verte a été proposé en 1991 par les chimistes Anastas et Warner. Il repose sur 12 principes permettant au milieu industriel et universitaire de diminuer les impacts négatifs au niveau économique et surtout environnemental.[5] Voici les 12 principes tels qu’ils ont été énoncés:
1. Prévention
2. Économie d'atomes
3. Développement de méthodes de synthèses moins dangereuses 4. Conception de produits chimiques moins toxiques
5. Utilisation de solvants moins toxiques et plus sûrs 6. Réduction de la dépense énergétique
7. Utilisation de matières premières renouvelables 8. Réduction de l'utilisation de substances chimiques 9. Utilisation de procédés catalytiques
10. Conception de substances facilement dégradables après utilisation 11. Suivi et contrôle en temps réel des procédés afin d'éviter toute pollution 12. Minimisation des risques d'accidents
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Historiquement, pour se rendre compte du succès d’une réaction, les chercheurs se sont basés sur le rendement. Bien qu’il demeure impératif, d’autres mesures alternatives plus vertes, comme le facteur E (Économie d'atomes) introduit par Sheldon,[6] ou la productivité en volume sont désormais pris en compte.[7] Le facteur E, est défini comme le rapport du poids de déchets par rapport au poids du produit, tandis que la productivité en volume correspond à la masse de produit par litre de milieu réactionnel. De nombreux solvants organiques sont nocifs pour l’environnement et nécessitent des mesures coûteuses d'assainissement. Ils sont identifiés comme les plus grands contributeurs à l'ampleur du facteur E.[8]
Dans le cadre de mes travaux de doctorat, nous nous sommes concentrés sur le développement de nouvelles méthodologies de synthèse en chimie organique. Les efforts ont été consacrés au développement de réactions courantes dans un contexte de chimie verte et de développement durable. Premièrement, nous avons tenté de développer de nouveaux catalyseurs à base de fer, de bismuth et de cuivre. Par la suite, nous les avons appliqués en méthodologie de synthèse, tout en tenant compte des principes de la chimie verte. En travaillant avec des métaux tels le fer, le bismuth ou le cuivre, nous répondons aux attentes de plusieurs principes de la chimie verte énumérés précédemment #3, #4, #6, #9. Au cours de nos recherches, nous avons tenté d’utiliser au maximum des solvants plus verts, comme le tétrahydrofurane, le méthanol, l’éthanol, etc. Ainsi, nous pouvons répondre positivement aux principes #5 et #12. Malheureusement pour certaines réactions, les systèmes catalytiques développés n’ont pas été efficaces dans ces solvants et nous avons été obligés d’utiliser à la place le dichlorométhane. Nous avons essayé de diminuer au maximum la charge catalytique employée dans les réactions étudiées, tout en conservant l’efficacité de nos systèmes et donc, sans compromettre le rendement de la réaction ou l’énantiosélectivité. Finalement, nous avons tenté de développer une méthode catalytique de synthèse de ligand de type bipyridine bisoxazoline bipybox, afin de supprimer plusieurs étapes. Cela nous permet de respecter les principes #2, #3, #6, #8, #9, #12.
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0.1.2 Catalyse asymétrique organométallique
Au cours des dernières décennies, la catalyse asymétrique organométallique, basée sur l’utilisation d’un métal coordonné à des ligands chiraux, est devenu un axe majeur de la chimie
organique.[9] La catalyse asymétrique permet d’accéder efficacement à une variété importante
de molécules énantio-enrichies pour répondre aux demandes croissantes de l'industrie pharmaceutique, agrochimique et de la chimie fine.[10] Des réactions catalysées par des complexes organométalliques chiraux peuvent produire de grandes quantités de produits chiraux avec des rendements très élevés à l'aide de petites quantités de catalyseurs métalliques chiraux. Cela est bien démontré par les prix Nobel attribués en 2001, [11] 2005 [12] et 2010 [13] pour des méthodes catalytiques développées en chimie organique (Schéma 1). En 2001 le Prix Nobel de chimie a été décerné à R. Noyori et W. S. Knowles pour le développement de catalyseurs chiraux à base de ruthénium et rhodium pour l'hydrogénation asymétrique (Schéma 1a, b). Cette même année K. B. Sharpless a obtenu le Prix Nobel pour le développement d’un catalyseur chiral à base de titane pour les réactions d'époxydation (Schéma 1c). Le prix Nobel de chimie 2005 a été décerné à Y. Chauvin, R. H. Grubbs et R. R. Schrock "pour le développement de la méthode de métathèse en synthèse organique". Les catalyseurs de métathèse les plus utilisés sont les complexes de molybdène développés par Schrock et ceux de ruthénium développés par Grubbs (Schéma 1d). En 2010, R. Heck, E.-i. Negishi et A. Suzuki ont rejoint le cercle des chimistes lauréats Nobel pour leurs rôles dans la découverte et le développement de méthodologies pour le couplage croisé catalysé par des complexes de palladium (Schéma 1e). Comme le montre le graphique dans la Schéma 1d, une croissance substantielle dans ce domaine s'est produite au cours de la dernière décennie, en termes de publications et de brevets. Le couplage croisé de Suzuki-Miyaura a été de loin le plus populaire, suivi des réactions de couplage Heck et Sonogashira.
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a) Réduction de Noyori (prix Nobel 2001)
b) Réduction de Knowles (prix Nobel 2001)
c) Oxydation de Sharpless (prix Nobel 2001)
d) Catalyseurs de métathèse (prix Nobel 2005)
e) Couplage croisé catalyse par du palladium [13b] (prix Nobel 2010)
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Les méthodes catalytiques sont souvent à base de métaux précieux comme l’osmium, le platine, le palladium, le rhodium, le ruthénium, etc. Ces métaux se sont montrés très efficaces mais leur abondance naturelle limitée les rendent très coûteux et dans la majorité des cas ils s’avèrent toxiques (Figure 1).[14] C’est pourquoi, il est souhaitable de chercher des solutions
alternatives plus économiques et respectueuses de l’environnement.[15] Une solution possible
pour pallier ce problème serait d’utiliser des catalyseurs à base de fer, de bismuth, de cuivre, de zinc ou de manganèse.
Figure 1. Prix du marché des métaux de transition estimés en 2008
0.1.3 Chimie du fer
Le désir d'imiter la catalyse avec des complexes de fer comme ceux dans des processus biologiques in vitro constitue une importante source d'inspiration pour la chimie du fer.[16] La
catalyse avec des complexes de fer a été mise en lumière par Reppe en 1949,[17] en utilisant le fer pentacarbonyl (découvert en 1891) [18] pour l’hydroaminométhylation des oléfines. D'autres
découvertes historiques importantes dans la chimie du fer sont le ferrocène (1951) [19] et le
réactif de Collman Na2Fe(CO)4 (1959).[20] Depuis, il y a eu de grands progrès dans la
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Figure 2. Nombre de publication sur la catalyse avec des complexes de fer au cours des
années (recherche réalisée en janvier 2015pour des articles de revues contenant l'expression " iron catalysis")
Les applications des catalyseurs à base de fer dans la synthèse de produits chimiques étaient rares à inexistantes (Figure 2).[22] Cela a changé dans les quinze dernières années, lorsque la communauté des chimistes a commencé à réaliser que le fer a plusieurs avantages par rapport
aux autres métaux généralement appliqués en catalyse homogène.[23] Premièrement, le fer joue
un rôle essentiel, car il est le métal le plus abondant dans la croûte terrestre (~ 4,7 % en masse) après l’aluminium. Deuxièmement, il est bon marché (Figure 1), moins toxique et bénin pour l’homme et l’environnement. Il présente aussi des états d'oxydation variables, et il peut faire des liaisons avec l'azote, l'oxygène ou avec le phosphore.[21] Le fer est un métal très
polyvalent ; de nombreux sels de fer et complexes de fer sont disponibles commercialement sur de grandes échelles ou faciles à synthétiser. Les composés du fer sont présents dans le sol, dans les plantes vertes et dans l'hémoglobine (0,34 % Fe). Il est également présent dans de
nombreuses enzymes d’oxydation (oxydases) comme le cytochrome P-450,[24] la nitrogénase
et le méthane mono-oxygénase (MMO),[25] qui effectuent de manière efficace certaines transformations chimiques difficiles.[26]
Des complexes organométalliques chiraux à base de fer ont été utilisés avec succès dans plusieurs transformations (Schéma 2). Ils se sont montrés très efficaces dans des réactions comme l’époxydation (Schéma 2a), [27] l’oxydation asymétrique de sulfures,[28] l’ouverture
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d’époxyde (Schéma 2c), [29] la réaction de Mukaiyama aldol (Schéma 2c),[30] des réactions de
réduction (Schéma 2b), [31] ou même les réactions de couplage.[32]
a) Époxydation de Sun [27a]
b) Réduction de cétones par Xiao et Gao [31e]
c) Mukaiyama aldol (a) [30a] et ouverture d’époxyde (b) [29a, 29b] par Ollevier
Schéma 2. Exemples d’utilisation des complexes de fer dans la catalyse asymétrique
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0.1.4 Oxydation énantiosélective
L'oxydation asymétrique est un outil polyvalent pour la fonctionnalisation sophistiquée des molécules organiques. Ces cinquante dernières années, l’oxydation asymétrique
organométallique a connu de grands progrès.[33] Une grande variété de complexes métalliques
a été développée comme catalyseurs pour cette réaction dans l’industrie et dans le milieu de la recherche universitaire. Avant cela, la production de nombreuses molécules par la voie de l’oxydation impliquait l’utilisation d’oxydants classiques en quantités stœchiométriques, tels les peracides, les hydroperoxydes d'alkyle, le permanganate et le dichromate et les composés oxaziridines (Tableau 1). Par conséquent, l'utilisation de ces quantités d’oxydants conduit à la formation de quantités stœchiométriques de déchets indésirables. Actuellement, il existe une pression considérable pour remplacer ces réactifs par des substituts plus propres et catalytiques. Du point de vue de la chimie verte, il est préférable d’utiliser des oxydants plus efficaces, abondants, sûrs et de préférence peu coûteux. En tenant compte de ces exigences, les oxydants de choix sont l'oxygène moléculaire (O2) et le peroxyde d'hydrogène (H2O2).
L'oxygène moléculaire présente un grand avantage car il est abondant dans l'air et est peu coûteux. L'utilisation de peroxyde d'hydrogène aqueux pour l'oxydation asymétrique est également particulièrement intéressante.[34] En effet, il constitue une économie d’atomes aussi
efficace que l'oxygène moléculaire, car l'eau est formée comme sous-produit.[34a, 35] De plus, la solution aqueuse de peroxyde d'hydrogène est facile à manipuler, en raison du fait que son stockage, son exploitation et son transport sont peu dangereux. Le peroxyde d’hydrogène est facilement disponible commercialement et peu coûteux.
Tableau 1. Oxydant classique
Oxydant Sous-produit O2 – H2O2 H2O NaOCl NaCl t-BuOOH (TBHP) t-BuOH m-ClC6H4CO3H (mCPBA) m-ClC6H4CO2H PhIO PhI
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Ainsi, beaucoup d'efforts ont été dirigés vers le développement d'une oxydation asymétrique de sulfures écologiquement durable en utilisant des complexes de fer comme catalyseurs et le peroxyde d’hydrogène comme oxydant.
0.1.5 Composés diazoïques
Les composés diazoïques participent à une grande variété de réactions en synthèse organique.[36] Ils sont facilement préparés à partir de précurseurs accessibles et peuvent subir
une grande variété de transformations chimiques dans des conditions douces.[37] Ils sont des
précurseurs très utilisés pour former des carbènes libres et des métal- carbènes, dont l'utilité synthétique est bien établie par leur succès en réaction de cycloaddition, cyclopropanation et d'insertion dans les liaisons X–H (X = O, N, S, Si, B).[38] En effet, l'intermédiaire carbène métallique présente un grand nombre de voies de réaction en raison de sa nature réactive. Ils sont facilement générés par la décomposition des composés diazoïques catalysée par des métaux de transition (Schéma 3).
Figure 3. Les trois classes de carbènes métalliques
La réactivité des métaux-carbènes est définie par les substituants des composés diazoïques de départ (Figure 3).[39] Par conséquent, les carbènes ont été classés en fonction des substituants adjacents au centre du carbène. Il y a des carbènes accepteurs/accepteurs et accepteurs. Ce sont des espèces très réactives parce que les groupes accepteurs ne stabilisent pas le centre métal-carbène fortement électrophile. Dans les métal-carbènes doneurs/accepteurs, le groupe donneur stabilise le carbène métallique déficient en électrons et atténue sa réactivité. On peut utiliser une variété de groupes aryle et vinyle substitués en tant que groupe donneur.
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En raison de la stabilité accrue des carbènes donneurs/accepteurs, ils sont capables d'une variété de réactions régio- et stéréosélectives.[40] Lorsqu'on utilise des catalyseurs chiraux, il
est possible d’assembler une série de blocs de construction chiraux complexes. Premièrement, pendant mes études de doctorat nous avons étudié la réaction asymétrique de cyclopropanation (Schéma 3). Les insertions de composés diazoïques dans des liaisons X–H catalysées par un métal de transition sont une approche puissante pour la construction de liaisons C–X.[41] Cette méthodologie a fait l'objet dans un second temps de mes études avec l’insertion des 𝛼-diazocétones dans des liaisons Si–H et S–H.
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Chapitre 1
Synthèse de ligands chiraux de type
bipyridine
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Chapitre 1
Synthèse de ligands chiraux de type bipyridine
Dans les réactions asymétriques catalytiques, la structure et les propriétés électroniques des ligands chiraux jouent un rôle essentiel car les informations chirales dans les produits organiques préparés proviennent des ligands optiquement actifs liés au métal de transition. Un environnement asymétrique idéal autour du métal et une cinétique appropriée sont nécessaires pour atteindre une catalyse stéréosélective efficace avec un nombre élevé de cycles catalytiques.[42] Dans un même temps, il est difficile de prévoir l’adéquation d’un ligand pour une réaction, car de légers changements dans la structure du ligand engagé peuvent entièrement changer la sélectivité d’une réaction.
La conception rationnelle de ligands est encore loin d'être atteinte. Nous avons travaillé sur une stratégie de synthèse de ligands qui permet diverses modifications chimiques et structurelles. Les synthèses de ligands ont été effectuées en parallèle avec le travail de développement méthodologique. Deux types de ligands ont été étudiés dans le cadre de mes études de doctorat. La première catégorie est celle de ligands de type bipyridine bisoxazolines, avec une série de six ligands, dans laquelle quatre sont de nouveaux ligands et deux sont déjà connus dans la littérature. Pour ces deux derniers (bipybox-i-Pr 7 et bipybox-Ph 9) seulement de légères modifications des modes opératoires ont été effectuées. La deuxième catégorie correspond à celle des ligands de type bipyridine para substitués, qui d’ailleurs ressemblent au squelette du ligand de Bolm 65.[43] L’objectif pour ces ligands est
de pouvoir les greffer sur la silice et par la suite, les tester dans différentes réactions où le ligand de Bolm s’est montré très efficace.
1.1 Ligands de type bipyridine bisoxazolines (bipybox)
Au cours des dernières années, les ligands chiraux bisoxazolines à symétrie C2 se sont
révélés très efficaces dans divers procédés catalytiques. Parmi eux, les ligands tridentés de type bisoxazolines, censés former une poche concave chirale autour du centre métallique, ont été rapportés et appliqués dans plusieurs réactions catalytiques asymétriques.[44] Par
13
Mukaiyama-aldol,[46] de nitro-aldol (Henry),[47] de Diels-Alder,[48] de cyclopropanation, [49]
etc.[50]
Schéma 1.1 Ligands bipybox utilisés dans la littérature par Nishiyama (a), Qian (b) et
Zhou (c)
Les ligands tétradentates de type 6,6'-bis(oxazolinyl)-2,2'-bipyridine (bipybox) ont été peu utilisés dans la littérature.[51] C’est pourquoi, nous avons choisi de les synthétiser et de les tester comme système catalytique non-hémique dans le cadre de mes études de doctorat. À ce jour, on trouve trois exemples où les ligands bipybox ont été employés. Nishiyama a rapporté pour la première fois la synthèse du ligand 6,6′-bis(4-(S)-iso-propyloxazolin-2-y1)-2,2′-bipyridine (bipybox-i-Pr 7) et l'utilisation du complexe de rhodium 6,6'-bis(oxazolinyl)-2,2'-bipyridine pour l'hydrosilylation asymétrique de cétones aromatiques conduisant à des aryléthanols chiraux avec des énantiosélectivités et des rendements élevés (Schéma 1.1 a).[51a, 52] Qian a décrit des réactions asymétriques d'hétéro-Diels-Alder d’esters de glyoxylate et du diène de Danishefsky catalysées par le complexe bis(oxazoline)-lanthanide chiral, ce qui a donné le produit d'aldol correspondant avec 77% d'excès énantiomérique et
73% de rendement isolé (Schéma 1.1 b).[51c] Zhou a utilisé des complexes de ruthénium et
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la cyclopropanation asymétrique du styrène avec du diazoacétate d'éthyle, mais il n’a donné que de faibles énantiosélectivités (Schéma 1.1 c).[51b]
Nous avons mis au point la synthèse de six ligands de type 6,6'-bis(oxazolinyl)-2,2'-bipyridine 7–12,[53] à partir de la 2,2'-bipyridine par une voie comprenant sept étapes (Schéma 1.2).
Schéma 1.2 Synthèse de ligands bipybox
La 2,2'-bipyridine a été oxydée en bis-N-oxyde 1, en utilisant du peroxyde d'hydrogène dans l'acide acétique glacial. L'𝛼-bis-cyanation du bis-N-oxyde 1 avec du KCN et du chlorure de benzoyle a donné le dinitrile 2 avec un excellent rendement.[54] La conversion de 2 en 6,6'-bis(éthoxycarbonyl)-2,2'-bipyridine 3 correspondant a été effectuée en mélangeant 2 dans l'éthanol et l'acide sulfurique. Après deux jours, nous avons obtenu le composé 3 sous la forme d'un solide blanc.[54] Ensuite, 3 a été hydrolysé dans des conditions basiques pour donner l'acide 6,6'-dicarboxy-2,2'-bipyridine 4 avec un bon rendement. L'acide dicarboxylique 4 résultant, a été traité avec du chlorure de thionyle à reflux pour donner le chlorure d'acide 5 avec un excellent rendement.[51a] Une condensation de 5 avec 2 équivalents de divers β-aminoalcools (Figure 1.1, 13–18), suivie après deux jours par l’addition de chlorure de thionyle à température ambiante, a conduit aux bis-amidochlorures
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Figure 1.1 ß-Aminoalcools utilisés dans la synthèse de ligands bipybox
La prochaine séquence réactionnelle a été réalisée avec l’aide d’un stagiaire, Guillaume
Levitre (été 2015). Le procédé de cyclisation décrit précédemment [51a] (NaOH/MeOH) a été
employé avec succès pour préparer le bipybox-i-Pr 7 avec un excellent rendement (Tableau 1.1, entrée 1). Le traitement de 6b-f par NaOH dans le méthanol a été inefficace et les bis-amidochlorures de départ 6b-f ont été récupérés quantitativement. Cela s'explique probablement par la faible solubilité de 6b-f dans le méthanol. Cependant, les bipybox-Ph 8 et bipybox-Bn 9 ont été obtenus par cyclisation du bis-amidochlorure correspondant 6b-6c, en utilisant NaOH 6N comme base, dans le dichlorométhane. Après recristallisation, nous avons réussi à obtenir d’excellents rendements (Tableau 1.1, entrées 2 et 3). Le changement de conditions en utilisant le NaH dans le THF, a donné le bipybox-i-Bu 10, le bipybox-s-Bu
11 et le bipybox-s-Bu 12 avec de bons rendements, après 7 jours de réaction à température
ambiante (Tableau 1, entrées 4–6).
Tableau 1.1 Ligands bipybox : Conditions pour la réaction de condensation
Entrée R Base Solvant T [°C] T [j] L Rdt [%]
1 i-Pr NaOH CH3OH 40 2 7 92 2 Ph NaOH CH2Cl2 40 11 8 85 3 Bn NaOH CH2Cl2 40 7 9 91 4 i-Bu NaH THF 25 7 10 80 5 s-Bu NaH THF 25 7 11 85 6 t-Bu NaH THF 25 7 12 64
En parallèle à la voie classique de synthèse de ligands bipybox, nous avons travaillé sur une autre approche beaucoup plus verte en utilisant différents catalyseurs pour la réaction de condensation entre le dinitrile 2 et L-valinol 13. En appliquant cette méthode, plusieurs étapes de synthèse peuvent être évitées (Schéma 1.3).
16
Schéma 1.3 Synthèse de ligands bipybox via une voie plus courte
Dans la littérature, cette méthode est très peu utilisée, car dans la majorité des cas ce procédé implique la formation d’un produit secondaire, la mono-oxazoline correspondante.[55]
Plusieurs exemples de la littérature sur la synthèse des ligands bisoxazolines par la voie
catalytique sont présentés dans la Figure 1.2. Avec ZnCl2 anhydre comme catalyseur (10
mol %), dans le chlorobenzène comme solvant et à 120 °C pendant 24 h, Seeliger a généré le ligand box avec un bon rendement (Figure 1.2).[56] Bolm a rapporté la synthèse de
plusieurs ligands chiraux bis(2-oxazolines) en utilisant également ZnCl2 (5 mol %) comme
catalyseur dans le chlorobenzène. Il a obtenu des rendements de 25 à 89%.[57] Le même procédé a également été utilisé par Chelucci puis par Reiser pour la synthèse de ligands de type bisoxazolines box, mais les rendements étaient inférieurs à 60% à cause de la formation du produit secondaire, la mono-oxazoline.[55b, 58] Pires et Garsía ont employé avec succès le
Zn(OTf)2, pour la synthèse de ligands pybox avec de bons rendements (jusqu’à 85%). Dans
certains cas, le produit secondaire de mono-cyclisation a aussi été identifié.[59]
Figure 1.2 Ligands bipybox – Exemples de la littérature synthétisé via la méthode
catalytique
Fu a également utilisé Zn(OTf)2 dans la synthèse du ligand pybox
(2,6-bis[(4R)-4,5-dihydro-4-(2-phenyléthyl)-2-oxazolyl]-pyridine). Un bon rendement a été atteint (6.18 g, 75%) sur une échelle de 19 mmol, dans le toluène à reflux.[60] Plus récemment, Zhu a utilisé Zn(OAc)2
17
65% a été obtenu après 48 heures, à 100 °C. L’utilisation de Cd(OAc)2∙H2O comme
catalyseur, pour la formation de deux cycles oxazoline (box) a été également rapportée
donnant des rendements allant jusqu’à 73%.[62]
Tableau 1.2 Utilisation du Zn(OTf)2 pour la réaction de condensation dans la synthèse de
bipybox-i-Pr
Pour initier notre étude, le Zn(OTf)2 a été choisi comme catalyseur, dans la réaction de
condensation entre le dinitrile 2 et le L-valinol 13 dans le toluène à 110 °C (Tableau 1.2). Avec 10 mol % de catalyseur et après 45 heures, le produit de mono cyclisation 19 est obtenu avec un faible rendement de 31% (Tableau 1.2, entrée 1). Le produit de mono-oxazoline 19
est ensuite remis en réaction dans les mêmes conditions (10 mol % Zn(OTf)2, PhMe, 110
°C), pour donner le produit attendu 7 avec un bon rendement de 83% (Tableau 1.2, entrée 2). Avec une quantité stœchiométrique de Zn(OTf)2, le produit obtenu reste la mono
oxazoline 19 avec un très faible rendement (Tableau 1.2, entrée 3). Le triflate de zinc peut très bien se coordonner avec les atomes d’azote de la bipyridine en formant un complexe stable et, de ce fait, l’empêcher d’agir en tant que catalyseur dans la réaction.[63] C’est pour
Entrée Cat. [mol %] Conditions T 7/19/20[e] Rdt [%][f]
1 10 PhMe 2 j 19 31 2[a] 10 PhMe 4 j 7 83 3 100 PhMe 5 j 19 20 4[b] 100:30 PhMe 5 j – – 5 20 – 7 j – – 6[c] 20 – 1 h – – 7[c] 40 – 1 h 30 – – 8[d] 40 PhMe 2 h 20 75
[a] au départ du 19 [b] Zn(OTf)
2/CuCl2 = 100:30 [c] micro-ondes [d] micro-ondes à 200 °C [e] Produit obtenu majoritairement
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cette raison que nous avons ajouté dans le milieu réactionnel 30 mol % de CuCl2. Ainsi ce
dernier pourrait se coordonner à la bipyridine.[64] Malheureusement, nous n’avons pas obtenu
le résultat escompté car un mélange de produits non identifiés a été isolé (Tableau 1.2, entrée 4). Par la suite, nous avons essayé d’effectuer la réaction dans un milieu sans solvant. Avec
une quantité catalytique de 20 mol % de Zn(OTf)2 à 110 °C, après 7 jours, un mélange de
produits est obtenu (Tableau 1.2, entrée 5). Le réactif de départ est récupéré quand la réaction de condensation est réalisée par chauffage sous de micro-ondes à 110 °C sans solvant (Tableau 1.2, entrées 6 et 7). Un rendement de 75% du produit non cyclisé 20 est obtenu quand la réaction est réalisée dans le toluène, en utilisant le chauffage par de micro-ondes à 200 °C après 2 heures (Tableau 1.2, entrée 8). Même si le dernier résultat semble raisonnable, le Zn(OTf)2 n’est pas un bon catalyseur pour la réaction de condensation.
Tableau 1.3 Synthèse de bipybox-i-Pr : Utilisation de différents catalyseurs pour la réaction
de condensation
Entrée Cat. Cat.
[mol %] Solvant T[h] 19/20 [a] Rdt [%][b] 1 Fe(OTf)2 10 PhMe 45 19 13 2 Fe(OTf)2 100 PhMe 137 – – 3 Cu(OTf)2 36 – 96 20 50 4 Bi(OTf)3∙4H2O 15 – 96 20 76
[a] Produit obtenu majoritairement
[b] Rendement du produit obtenu majoritairement
Par la suite, d’autres catalyseurs n’ayant jamais été testés dans la réaction de condensation entre un mono- ou di-nitrile avec un β-aminoalcool ont été étudiés (Tableau 1.3). Avec 10 mol % de Fe(OTf)2 dans le PhMe à 110 °C, seulement 13% de produit 19 a été obtenu
(Tableau 1.3, entrée 1). Avec une quantité stœchiométrique de Fe(OTf)2 dans les mêmes
conditions, aucun produit n’a pu être identifié (Tableau 1.3, entrée 2). De meilleurs résultats ont été obtenus avec le Cu(OTf)2 (36 mol %) et le Bi(OTf)3∙4H2O (15 mol %) comme
19
catalyseurs, avec des rendements de 50% et 76% respectivement pour le produit non cyclisé
20 (Tableau 1.3, entrées 3 et 4).
Jusqu’à présent, les meilleures conditions trouvées pour la réaction impliquent soit le
Zn(OTf)2 comme catalyseur, dans le toluène et le chauffage par des micro-ondes à 200 °C
(Tableau 1.2, entrée 8) ou bien, l’utilisation du Bi(OTf)3∙4H2O (15 mol %) sans solvant à
110 °C (Tableau 1.3, entrée 4). C’est pour cette raison que nous avons testé le mélange de sels Zn(OTf)2/Bi(OTf)3∙4H2O comme système catalytique, pour la réaction de condensation
(Tableau 1.4). Sous micro-ondes la réaction ne fonctionne pas. Après 10 minutes de réaction, le réactif de départ est récupéré, par contre, après 1 heure un mélange de produits est obtenu (Tableau 1.4, entrées 3 et 4). En revanche, dans le toluène ou bien sans solvant, la réaction fonctionne correctement et donne à 100 °C le produit non cyclisé avec de très bons rendements (Tableau 1.4, entrées 1 et 2).
Tableau 1.4 Synthèse de bipybox-i-Pr : Utilisation du système catalytique
Zn(OTf)2/Bi(OTf)3∙4H2O
Entrée Zn(OTf)2/Bi(OTf)3∙4H2O
[mol %] Solvant Temps Rdt 20 [%]
1 10:10 – 7 j 95
2 10:10 PhMe 7 j 87
3[a] 10:10 - 10 min. –
4[a] 15:15 - 1 h –
[a] micro-ondes
Li a développé avec succès la réaction de cyclocondensation catalysée par le système Co(NO3)2/soufre, sans solvant pour différents nitriles aromatiques avec du
3-amino-1-propanol, ou du 2-aminoéthanol dans des conditions thermiques et de micro-ondes.[65] Ce
système catalytique permet d’obtenir les mono- et bisoxazolines avec de bons à excellents rendements. En s’inspirant de ce protocole, nous avons utilisé le système Co(NO3)2∙6H2O/soufre dans un rapport de 30:1, pour la réaction de condensation entre le
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dinitrile 2 et L-valinol 13. Après 96 heures, un rendement de 82% du produit non cyclisé a été obtenu (Tableau 1.5, entrée 1). En changeant la charge catalytique à 40:1 de Co(NO3)2∙6H2O/soufre, le temps réactionnel a diminué à 17 heures. Nous avons réussi à
avoir un meilleur rendement de 93% de produit non cyclisé (Tableau 1.5, entrée 2). Un mélange de deux produits (20:7) est obtenu, quand le rapport en catalyseur est de 15:5 (Tableau 1.5, entrée 3). L’utilisation de 20 mol % de Co(NO3)2∙6H2O sans soufre ne permet
pas d’obtenir l’un des produits attendus (Tableau 1.5, entrée 4). Le système catalytique Co(NO3)2∙6H2O/S8 a également été testé en utilisant des micro-ondes (Tableau 1.5, entrée
5). Après 2 heures de réaction, seul le réactif de départ a été récupéré.
Tableau 1.5 Synthèse de bipybox-i-Pr : Utilisation du système catalytique Co(NO3)2/soufre
Entrée Co(NO3)2/S [mol %] Solvant Temps [h] 7/20 Rdt [%] [c] 1 30:1 – 96 20 82 2 40:1 – 17 20 93 3 15:5 – 23 7:20 82[d] 4[a] 20:0 PhMe 23 – – 5[b] 40:10 – 2 – –
[a] sans soufre [b] micro-ondes
[c] Rendement du produit obtenu majoritairement [d] Rendement du 20
Parmi tous les systèmes catalytiques testés dans la réaction de cyclocondensation, les mélanges Zn(OTf)2/Bi(OTf)3∙4H2O (Tableau 1.4, entrées 1 et 2) et Co(NO3)2∙6H2O/soufre
(Tableau 1.5, entrée 2) semblent être très prometteurs, même si seul le produit non cyclisé
20 est obtenu. Pour accéder au ligand, une étape supplémentaire de cyclisation est nécessaire
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Schéma 1.4 Synthèse de bipybox-i-Pr : Réaction de cyclisation
1.2 Cristallisation des complexes de fer
Un aspect important dans la chimie inorganique classique est que les nombres de coordination de quatre, cinq et six sont dits classiques pour les métaux de transition de première rangée.[66] Par contre, les nombres de coordination de trois,[67] sept [68] et huit [69] sont rarement observés. Même si le nombre de coordination égal à huit est parmi les moins abondants, [70] il existe un intérêt croissant pour de tels systèmes. En effet, des nombres de coordination inhabituels sont observés dans certaines métallobiomolécules.[71] La chimie de coordination du fer a une importance particulière en raison de sa pertinence biologique [72] et de ses applications en catalyse.[23d, 23e] Le plus souvent pour le fer, nous trouvons une coordination à quatre, cinq et six, alors que des nombres de coordination supérieurs à six ne sont que rarement rencontrés.[68a, 73] À notre connaissance, seulement huit complexes de fer
avec un nombre de coordination égal à huit ont été confirmés et caractérisés par des déterminations de structure à rayons X. La génération de telles espèces est possible avec des ligands qui ont de petits angles (ligands bidentés [74] ou tétradentate [73, 75]) ou des
macrocycles disposés convenablement (ligand octadentate [69c, 76] avec huit atomes
donneurs). Les atomes donneurs de ligands sont généralement agencés sous la forme d'un prisme carré déformé ou d'un dodécaèdre déformé. Dans la majorité de cas rapportés, les huit atomes donneurs du ligand fournissent un faible champ de coordination donc un haut spin pour le fer (S = 2).
Pour montrer que le fer forme des complexes stables avec les ligands tétradentes bipybox, de nombreux essais de cristallisation ont été réalisés (environ 100 essais). Nous avons fait varier successivement différents paramètres: le sel de fer (FeCl2, FeCl3, FeBr2, FeBr3,
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le ratio ligand bipybox/M et les conditions de cristallisation (par diffusion, par évaporation lente, par refroidissement à –30 °C). Deux types de cristaux provenant des complexes bipybox-i-Pr/Fe et bipybox-Ph/Fe, ont pu être analysés par diffraction des rayons X (Figure 1.3, 1.4).
Figure 1.3 Complexe 21 {[Fe-(bipybox-i-Pr)(H2O)Br]+Br– }2∙2MeCN.
Des monocristaux appropriés pour des études de diffraction des rayons X ont été obtenus à partir de bipybox-i-Pr/FeBr2 21 et bipybox-Ph/FeCl2 22 dans une solutions d’acétonitrile et
de diéthyl éther en diffusion (Figure 1.3, 1.4c). Le complexe 21 a révélé que le bipybox-i-Pr se comporte comme un ligand tétradentate donnant un complexe octaédrique distordu à
symétrie C2 comme dimère (Figure 1.3). Le complexe dinucléaire 21 adopte une géométrie
bipyramidale tétragonale. Par contre, dans le complexe 22 bipybox-Ph/FeCl2, le fer a un
nombre de coordination égal à huit (Figure 1.4a). Il est intéressant de constater que le fer présent dans le complexe est au degré d’oxydation +II, comme le chlorure de fer+II qui a été
utilisé pour la cristallisation, alors que nous avons un dimère fer+III -oxo-ponté comme
contre-ion. Nous avons obtenu un complexe mononucléaire qui représente un dodécaèdre (D2d) légèrement déformé (Figure 1.4b). Les distorsions sont le résultat des contraintes plutôt
rigides introduites par le ligand planaire inflexible et par les répulsions ligand-ligand. Il semble que les deux ligands bipybox-Ph coordinés au fer fournissent au métal une protection structurelle suffisante contre de potentiels ligands compétitifs, En limitant l'accès au métal,
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on pourrait expliquer la stabilité inhabituelle de ce complexe. Les distances fer-azote sont entre 2,28–2,40 Å. Ces distances de liaison sont semblables à celles des autres complexes connus de fer, qui ont une coordination égale à huit avec des ligands-N4 neutres à fort
spin.[75b, 75c, 77] Ces distances sont plus longues que celles trouvées dans le complexe à
coordination six, bipybox-i-Pr/FeBr2 21 qui sont entre 2,18–2,23 Å. Cela s’explique par le
fait que le rayon effectif d'un atome métallique dans un complexe doit être suffisamment grand pour minimiser les répulsions ligand-ligand et les atomes donneurs des ligands doivent satisfaire à certaines exigences stériques.[78]
(a) (b)
(c)
Figure 1.4 (a) Complexe [Fe-(bipybox-Ph)2][O(FeCl3)2)]∙MeCN 22; (b) dodécaèdre (D2d);
(c) Réaction de complexation de [Fe-(bipybox-Ph)2][O(FeCl3)2)]∙MeCN 22
La capacité des éléments lanthanide et actinide à former des complexes à coordinations huit est facilement comprise en termes de charges formelles élevées et de rayons atomiques relativement grands.[79] Dans le cas de métaux de transition cela provient d'une ou de plusieurs causes différentes. Celles-ci sont: (1) la présence de plusieurs (quatre ou cinq) orbitales d au moins potentiellement disponibles pour la formation de liaisons covalentes; (2) les charges formelles élevées sur les atomes métalliques; Et (3) la séparation énergétique
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globale relativement plus faible entre les orbitales (n–1)d, ns et np pour un état d 'oxydation.[80]
En général, les complexes de coordination égale à huit sont neutres ou anioniques, mais quelques composés ont été isolés lorsque la charge positive élevée de l'atome métallique dépasse celle du ligand.[81] Alors, un facteur important, pour la stabilisation d'un complexe métallique de coordination égale à huit est la charge formelle positive élevée (résultant de l'état d'oxydation élevé) de l'atome de métal central, d'habitude +3, +4, +5 ou +6. Apparemment, la charge formelle est nécessaire pour éviter qu'une quantité excessive de charge négative ne s'accumule sur l'atome métallique en raison de son association avec les électrons apportés par les atomes de huit ligands. Donc, la charge formelle est principalement possible dans des complexes où l'atome de métal peut atteindre une configuration d0, d1 ou d2.[78] En même temps, dans la littérature, plusieurs complexes de fer de coordination huit ont été décrits à un degré d’oxydation de Fe+II ou Fe+III. [73, 75, 82] Cela a été démontré par différentes analyses comme la spectroscopie de Mössbauer (une méthode permettant de déterminer le degré d’oxydation et l’environnement du fer) et la résonance paramagnétique électronique. Les mêmes analyses devraient être effectuées pour confirmer le degré d’oxydation et l’état du spin du fer dans le complexe 22.
1.3 Ligands de type bipyridine pour la catalyse hétérogène
Depuis plusieurs années, le nombre de publications avec des catalyseurs hétérogènes a augmenté, car l'utilisation de la catalyse hétérogène s'inscrit dans la philosophie de la chimie verte.[83] Les avantages principaux en utilisant ces catalyseurs sont que les étapes de purification et les capacités de recyclage sont plus faciles. Le plus grand défi est de pouvoir synthétiser le même produit avec les mêmes propriétés (énantiosélectivité, rendement) par rapport à la catalyse homogène. Le catalyseur doit être greffé sur différents matériaux, pour parvenir à avoir le même résultat qu’avec la catalyse homogène ou pour trouver de meilleurs résultats. Les propriétés catalytiques dépendent non seulement du catalyseur utilisé mais également du matériau le supportant. Il est donc nécessaire d'essayer différents supports avec des propriétés différentes (forme, taille, surface) pour trouver les meilleures conditions pour la réaction.
