PREPARATION DES THIA-OXAZA-PHENANTRENES VIA UNE REACTION DE CYCLOADDITION DIPOLAIRE-1,3 DES ARYLNITRILOXYDES SUR LES 3-ARYLIDENE-ISOTHIOCHROMAN-4-ONES

PREPARATION DES THIA-OXAZA-PHENANTRENES VIA UNE REACTION DE CYCLOADDITION DIPOLAIRE-1,3

DES ARYLNITRILOXYDES SUR LES 3-ARYLIDENE-ISOTHIOCHROMAN-4-ONES

Brahim Bennani*, Bouchra FILALI BABA*, Ahmed EL-FAZAZI*, Ghali AL HOUARI*, Brahim El Bali, Michael Bolte**, Najib BEN LARBI*, Abdelali KERBAL*,

*Laboratoire de chimie organique, Faculté des Sciences Dhar Mehraz, Université Sidi Mohamed Ben Abdellah, Fès, B.P : 1796

** Institut für Organische Chemie, J. W. Goethe-Universität Frankfurt, Germany.

(Reçu le 20 Juin 2002, accepté le 15 Avril 2003)

Résumé : La cycloaddition dipolaire-1.3 des arylnitriloxydes sur les 3-arylidène-isothiochroman-4- ones est régiospécifique et conduit à un seul régioisomère dérivé de la spiro-isoxazoline. La transformation en milieu acide des cycloadduits obtenus, conduit à de nouveaux hétérocycles dérivés de l’oxazaphénanthrène.

Abstract :1,3-dipolar cycloaddition of arylnitriloxydes with 3-arylidene-isothiochroman-4-ones is regiospecific and leads to only one regioisomer spiro-isoxazolinic. The transformation in acid conditions of the obtained cycloadducts leads to new oxazaphenanthrenic heterocycles.

Mots clés : Cycloaddition dipolaire-1,3 / 3-arylidène-isothiochroman-4-ones / Arylnitriloxydes / Spiro-isoxazolines / Oxazaphénanthrènes.

Dans le cadre de nos travaux concernant la réaction de cycloaddition dipolaire-1,3, nous avons étudié l’action des diarylnitrilimines sur des dérivés dihydroquinoleinique [1], indénique [2] et sur la 3-méthoxycarbonyle-4H-1-benzopyran-4-one [3] où le site dipolarophilique est endocyclique, nous avons étudié aussi la régio et la stéreochimie de la réaction des diarylnitrilimines avec les 2- arylidène-indan-1-ones [4], 3-arylidène-tétralin-4-ones [5,6], 3-arylidène-isothiochroman-4-ones [7]

et récemment la 3-toluidène-2,3-dihydro-4(1H)-isoquinolone [8] où le site dipolarophilique est exocyclique. Nous avons envisagé d’étudier la réactivité et la régiochimie de quelques 3-arylidène- isothiochroman-4-ones 1 vis-à-vis des arylnitriloxydes. Les dipolarophiles 1 ont été préparés par simple condensation d’un benzaldéhyde para- substitué avec l’isothiochroman-4-one en milieu acide [9].

Pour effectuer la réaction de cycloaddition des arylnitriloxydes, on fait réagir les 3-arylidène- isothiochroman-4-ones 1 avec les benzaldoximes para-substituées 2 dans le chloroforme en présence d’une solution d’hypochlorite de sodium [10], cette dernière joue le rôle d’agent chlorant de l’oxime 2 et d’agent déshydrohalogénant du chlorure d’hydroxamoyle résultant de la réaction de la chloration en conduisant finalement à l’arylnirtiloxyde. La condensation des arylnirtiloxydes, ainsi obtenus, sur les dipolarophiles 1, conduit aux cycloadduits spiro-isoxazolines 3 avec de bons rendements (60 à 90%), (schéma 1). Les rendements et points de fusion des produits 3 sont regroupés dans le tableau I.

Schéma 1

Tableau 1 : Rendements et points de fusion des produits 3

ae af ag ah ai be bf bg bh bi ce cf cg ch df ci di

R₁ H H H H H CH₃ CH₃ CH3 CH₃ CH₃ OCH₃ OCH₃ OCH₃ OCH₃ NO₂ OCH₃ NO₂ R₂ H CH₃ OCH₃ NO₂ Cl H CH₃ OCH₃ NO₂ Cl H CH₃ CH₃ NO₂ CH₃ Cl Cl F°c 158 203 178 174 198 158 179 153 187 148 124 150 154 150 166 132 169

Rdt 80 90 90 60 70 90 85 90 65 67 90 90 85 60 65 80 60

REGIOCHIMIE

D’une manière générale, la régiochimie majoritaire ou unique observée au cours de la cycloaddition dipolaire-1,3 des arylnitriloxydes sur les dipolarophiles éthyléniques est celle qui conduit à l’isoxazoline dont le sommet-5 porte le substituant donneur ou accepteur d’électrons du dipolarophile [11-14] et c’est ce que nous avons observé dans les cas de la 3-méthoxycarbonyle-4H- 1-benzopyran-4-one [3] et de la 3-toluidène-2,3-dihydro-4 (1H)-isoquinolone [8].

Dans le cas présent, la valeur du déplacement chimique de l’atome de carbone de jonction spirannique comprise entre 94,40 et 95,80 ppm (Tableau 3, partie expérimentale) est en bon accord avec la structure 3 proposée [7].

L’étude des cycloadduits spiro-isoxazoliniques 3 en spectrométrie de masse par impact électronique à 70 eV a été effectuée, ainsi, les spectres de masse des produits

entre autres le pic moléculaire, les pics fragments des dipôles et des dipolarophiles issus de la rétrocycloaddition et le pic fragment [M –18]

issu de la perte d’une molécule d’eau.

La cycloaddition des arylnitriloxydes sur les 3-arylidène-isothiochroman-4-ones

conduit donc de façon régiospécifique aux 3,4-diaryl-spiroisoxazoline [5 :3’]

isothiochroman-4’-ones.

STEREOCHIMIE

L’examen des modèles DREDING permet de visualiser les quatre conformations possibles (Figure. 1).

1'2' 4'3' 5'

2e : R2 = H 2f : R₂ = CH₃ 2g : R₂ = OCH₃ 2h : R₂ = NO₂ 2i : R2 = Cl 1a : R₁ = H

1b : R₁ = CH₃ 1c : R₁ = OCH₃ 1d : R₁ = NO₂

S O N O Ar Ar'

H

R₂ C

NOH H S +

O C

H

R

NaOCl 0°C -10°C

CHCl₃

1 a-d 2 e-i

3 ae, af, ag, ah, ai, be, bf, bg, bh, bi, ce, cf, cg, ch, df, dg, di

3 12 43 5

Figure 1

L’analyse des paramètres RMN¹H nous a permis de proposer la conformation des cycloadduits en exploitant l’effet de solvant ASIS (∆δ = δ CDCl3 - δ C6D6) sur le signal du proton H⁴ et H^5’. Cet effet ASIS se manifeste toujours dans le sens attendu (∆δ < 0) pour le signal du proton H⁴ et on peut penser qu’il en est de même pour le proton H^5’ lorsqu’il se trouve dans une position comparable comme c’est le cas pour les conformations I et II (Figure 1).

Le tracé du spectre de RMN¹H à partir d’une solution du produit 3 bg dans le CDCl3 et dans le C6D6 indique un effet ASIS négatif ∆δ < 0 (∆δ = δ CCl3-δ C6D6) de l’ordre de –0,3 ppm pour le proton H⁴ , cette valeur est en faveur de l’une des conformations I et II (Figure 1), ce qui est conforme avec les données de la littérature [5].

TRANSFORMATION DES CYCLOADDUITS

Les produits de cycloaddition se transforment aisément en milieu acide. Les spectres de RMN

1H des produits 4 de transformation ne présentent plus les signaux des protons aliphatiques situés sur les sommets 1’ et 4 des structures 3. En RMN du ¹³C ; on observe la disparition des signaux des atomes de carbones aliphatiques C^4’ (groupe carbonyle), C^1’, C^{3’, 5} (carbone de jonction spirannique) et C⁴ (carbone tertiaire benzylique). Seuls subsistent les signaux des carbones aliphatiques R₁ et R₂. Tous les signaux sont ceux d’atomes de carbone sp².

Notons que les spectres d’absorption en IR, ne présentent plus de bandes d’absorption du groupement carbonyle des structures 3, tandis que l’analyse des spectres RMN ¹H et ¹³C et l’analyse élémentaire quantitative sont en accord avec la structure proposée 4. Les spectres de masse en impact électronique des produits 4 bg et 4 cf confirment bien la perte d’une molécule d’eau.

Cette transformation est réalisée par l’ouverture acide du cycle isoxazolinique suivie d’une addition nucléophile de l’oxygène sur le groupement carbonyle, puis le départ d’une molécule d’eau.

(schéma 2 ).

O S

N O

Ha

Hb Ar

H₄ Ar'

O

N O H₄ Ar

Ar'

S Hb Ha

O

Ha Hb O

N O Ar' Ar

H₄

S

I II

III IV

H₄ Ar Ar'

O N

S Hb

Ha

S O

N O H

Ar Ar'

H⁺

S O

N O H

Ar Ar'

H

S O

Ar Ar' HON

H

-H⁺

S O

Ar Ar' HON

H

S N O HO

H H

Ar'

Ar S

N O

Ar'

Ar - H2O

Ar= R₁; Ar' = R₂

4 bh : R₁ = CH₃; R₂ = NO₂ 4 bi : R₁ = CH₃; R₂ = Cl 4 cf : R₁ = OCH₃; R₂ = CH₃ 4 cg : R₁ = R₂ = OCH₃

4 ch : R₁ =O CH₃; R₂ = NO₂ 4 df : R₁ = NO₂; R₂ = CH₃ 4 ae : R₁ = R₂ = H 4 cg : R₁ = H; R₂ = OCH₃

4 ah : R₁ = H; R₂ = NO₂ 4 ai : R₁ = H; R₂ = Cl 4 ci : R₁ = OCH₃; R₂ = Cl 4 bf : R₁ = R₂ = CH₃ 4 bg : R₁ = CH₃; R₂ = OCH₃

Schéma 2

Ces résultats nous amènent à déduire que la transformation des cycloadduits est aussi une preuve de la régiochimie unique de la réaction de cycloaddition initiale. Nous avons nommé les nouveaux produits 4 conformément à la méthode dite de CHEMICAL ABSTRATS, il s’agit d’un dérivé du phénanthrène qu’on peut appeler : 1,2-diaryl-4,10-dihydro-10-thi-4,3-oxazaphénantrène.

Les rendements et points de fusion des produits 4 sont regroupés dans le tableau 2.

Tableau 2 : Rendements et points de fusion des produits 4

ae ag ah ai bf bg bh bi ce cf cg ch df ci

R1 H H H H CH3 CH3 CH3 CH3 OCH3 OCH3 OCH3 OCH3 NO2 OCH3

R₂ H OCH₃ NO₂ Cl CH₃ OCH₃ NO₂ Cl H CH₃ OCH₃ NO₂ CH₃ CL F°C 150 151 204 170 165 182 220 135 140 184 135 192 178 164

Rdt 50 60 50 55 70 65 56 50 60 65 60 50 50 57

PARTIE EXPERIMENTALE

Les points de fusion ont été déterminés sur un banc Kofler.

Les spectres IR ont été tracés à l’aide d’un spectromètre BECKMAN 310, les produits solides étant pastillés dans KBr.

Les spectres de RMN ont été enregistrés avec des appareils BRUKER SPECTROSPIN AC (80 MHz, 200 MHz, Université Paul Sabatier de Toulouse) et BRUKER SPECTROSPIN AC 200 (200 MHz, Université de Franche-Compté de Besançon).

Les spectres de masse ont été enregistrés avec un spectromètre de masse HEWLETTPACKARD 5989A par impact électronique à 70 eV (Université Paul Sabatier de Toulouse).

Mode opératoire général d’obtention des cycloadduits 3.

Dans un erlenmeyer équipé d’une ampoule à addition placé dans un bain de glace-sel, on place un mélange de 10 mmole de la 3-arylidèneisothiochroman-4-one 1 et 12 mmole de l’oxime 2 dans 20 ml de chloroforme, et sous agitation magnétique on ajoute goutte à goutte 10 ml d’une solution d’hypochlorite de sodium (NaOCl) à 24 °chlorométrique (eau de Javel à 24°), on maintient l’agitation une heure après l’addition. La phase organique est séparée puis lavée plusieurs fois avec de l’eau, séchée sur sulfate de sodium. Le résidu obtenu après élimination du solvant est recristallisé dans l’éthanol. Le tableau 4 regroupe les caractéristiques spectroscopiques de RMN¹H et IR et le tableau 5 regroupe les caractéristiques spectroscopiques de RMN ¹³C des cycloadduits 3.

L’analyse élémentaire des cycloadduits 3bg et 3cf est donnée dans le tableau 3.

Tableau 3 : Analyse élémentaire des produits 3bg et 3cf

% C % H % N

Prouits Formule Brute

Calculé Trouvé Calculé Trouvé Calculé Trouvé

3 bg C₂₅H₂₁NO₃S 72,29 71,67 5,06 4,99 3,37 3,28

3 cf C₂₅H₂₁NO₃S 72,29 72,14 5,01 4,99 3,37 3,29

Réaction de transformation des cycloadduits 3 :

obtention des 1,2-diaryl-4,10-dihydro-10-thia-4,3-oxazaphénantrène 4 Mode opératoire général

Dans un ballon de 100 ml muni d’un réfrigérant, on fait dissoudre à chaud dans le minimum d’éthanol 2 mmole du cycloadduit, puis on ajoute avec précaution 10 ml d’acide chlorhydrique concentré et laisse à ébullition douce pendant une nuit. On arrête le chauffage et on laisse refroidir puis on réduit à moitié, un solide se dépose, on filtre et lave plusieurs fois avec de l’eau puis recristallise dans l’éthanol. Le tableau 6 rassemble les caractéristiques spectroscopiques de RMN¹H et IR des produits de transformation 4.

Analyse élémentaire du cycloadduit 4 bg (C₂₅H₁₉NO₂S) :

% C (72,14) _Tr /(72,29)_Cal., %H(4,99) _Tr/ (5,06)_Cal, % N (3,29)_Tr/(3,37)_Cal

Tableau 4 : Paramètres de R.M.N.¹H des cycloadduits 3 ( CDCl₃, δ ppm / T.M.S, J en Hz )

Composés

R1 R2

IR νν νν(CO)

cm-1 R1 R2 Ha Hb H4 H(aromatiques

3,50 (d,1H) 4,70 (d,1H)

3 ae H H 1665

J = 16,6 6,20 (s,1H) 7,20-8,10 (m,14H) 3,50 (d,1H) 4,70 (d,1H)

3 af H CH₃ 1680 2,30

(s,3H) J = 16,8 6,20, (s,1H) 7,10-

8,20,(m,13H) 3,40 (d,1H) 4,5 (d,1H)

3 ag H OCH₃ 1660 3,70

(s,3H) J = 16,70 6,10, (s,1H) 6,40-8,30 (m,13H) 3,50 (d,1H) 4,50 (d,1H)

3 ah H NO₂ 1670

J = 16,8 6,20, (s,1H) 7-8,40 (m,13H) 3,60 (d,1H) 4,70 (d,1H)

3 ai H Cl 1665

J = 16,80 6,20, (s,1H) 7,20-8,30 (m,13H) 3,50,

(d,1H)

4,70, (d,1H)

3 be CH₃ H 1660 2,30

(s,3H)

J = 16,70

6,10, (s,1H) 7,10-8,20 (m,13H) 3,5, (d,1H) 4,50,

3,70

Composés R₁ R₂

IR ν ν ν ν(CO)

cm-1 R₁ R₂ Ha H_b H₄ H(aromatiques

3,60, (d,1H)

4,70, (d,1H)

3 ci OCH

3

Cl 1675 3,80 (s,3H)

J = 16,80 6,10, (s,1H) 6,8-8,20 (m,12H) 3,50,

(d,1H)

4,70, (d,1H) 3 bf

CH₃ CH₃ 1675

2,30 (1s,3H)

2,30 (1s,3H)

J = 16,80 6,10, (s,1H) 7,10-8,10 (m,12H) 3,50,

(d,1H)

4,70, (d,1H)

3 bg CH₃ OCH

3 1675

2,30 (1s,3H)

3,70 (1s,3H)

J = 16,80 6,10, (s,1H) 6,70-8,10 (m,12H) 3,60,

(d,1H)

4,70, (d,1H) 3 bh CH₃ NO₂ 1680

2,3 (1s,3H)

J = 16,80 6,10, (s,1H) 7,10-8,10 (m,12H) 3,50,

(d,1H)

4,70, (d,1H)

3 cf CH₃ Cl 1680

2,3 (1s,3H)

J = 16,80

6,10, (s,1H) 7,10-8,10 (m,12H) 3,5, (d,1H) 4,7, (d,1H)

3 cb OCH

3 CH₃ 1675

3,7 (1s,3H)

2,3

(1s,3H) J = 16,80 6,1, (s,1H) 6,80-8,20 (m,12H) 3,5, (d,1H) 4,7, (d,1H)

3 cg OCH

3

OCH

3 1665

3,7 (1s,3H)

3,7

(1s,3H) J = 16,80

6,1(s,1H)

6,80,10 (m,12H) 3,5, (d,1H) 4,6, (d,1H)

3 ch OCH

3 NO₂ 1670

3,7 (1s,3H)

J = 16,80 6,0, (s,1H) 6,70-8,10 (m,12H) 3,5, (d,1H) 4,7, (d,1H)

3 di NO₂ Cl 1665 J = 16,80 6,2, (s,1H) 7,20-8,20

(m,12H)

3 df NO₂ CH₃ 1680

2,3

(1s,3H) 3,6, (d,1H) 4,7, (d,1H) 6,2, (s,1H) 7,10-8,20 (m,12H)

Tableau 5 : Paramètres de R.M.N ¹³C des cycloadduits 3 (CDCl₃, δ ppm / T.M.S)

Composés R₁ R₂ C¹ C^4’ C^5’,3 C⁴

3 ae H H 28,20 56,60 94,70 184,20

3 af H CH₃(21,60) 28,20 56,70 94,60 184,10

3 ah H NO2 28,00 56,10 95,60 183,50

3 ai H Cl 28,10 55,40 94,90 183,80

3 ci OCH₃(55,20) Cl 28,20 55,70 95,10 183,60

3 bf CH₃(21,50) CH₃(21,50) 28,20 56,40 94,60 184,10

3 bg CH3(21,30) OCH₃(55,20) 28,10 56,40 94,40 184,10

3 bh CH₃(21,30) NO₂ 28,10 55,90 95,60 183,60

3 bi CH₃(21,40) Cl 28,10 56,20 95,00 183,70

3 cf OCH₃(55,00) CH3(21,30) 28,10 57,00 95,00 180,80

3 cg OCH₃(55,30) OCH₃(55,20) 28,20 56,20 95,00 184,20

3 ch OCH₃(55,30) NO₂ 28,10 55,50 95,80 183,60

3 di NO₂ Cl 28,00 56,00 94,40 183,40

3 df NO₂ CH₃(21,50) 28,00 56,20 94,10 183,60

Tableau 6 : Paramètres de RMN ¹H des produits 4 (CDCl3, δδδ ppm / TMS) δ

Composés R₁ R₂ H₉ H(aromatiques)

4 ae H H 7,70(s,1H) 7,10-8,30, (m,15H)

4 ag H OCH3, 3,70 (s,3H) 7,42(s,1H) 6,80-8,30, (m,14H)

4 ah H NO2 7,5(s,1H) 7,10-8,40, (m,14H)

4 ai H Cl 7,7(s,1H) 7,70, (m,14H)

4 ce OCH3: 3,70(s,3H) H 7,5(s,1H) 6,70-7,90, (m,14H)

4 ci OCH3: 3,70(s,3H) Cl 7,70(s,1H) 7,00-8,30, (m,13H)

4 bf CH3: 2,35(s,3H) CH3, 2,45(s,3H) 7,60(s,1H) 7,10-8,40, (m,13H) 4 bg CH3: 2,40(s,3H) OCH3: 3,80(s,3H) 7,70(s,1H) 6,80-8,30, (m,13H)

4 bh CH3: 2,50(s,3H) NO2 7,60(s,1H) 7,10-8,30, (m,13H)

4 bi CH3: 2,35(s,3H) Cl 7,70(s,1H) 7,00-8,30, (m,13H)

4 cf OCH3: 3,80(s,3H) CH3: 2,40(s,3H) 750(s,1H) 6,80-8,30, (m,13H) 4 cg OCH3: 3,80(s,3H) OCH3: 3,90(s,3H) 7,60(s,1H) 6,60-8,30, (m,13H)

4 ch OCH3: 3,70(s,3H) NO2 7,60(s,1H) 6,600-8,30, (m,13H)

4 df NO2 CH3: 2,40(s,3H) 7,80(s,1H) 7,30-8,30, (m,13H)

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