Activation de liaisons C-O catalysée par le nickel et sulfénylation de liaisons C-H

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Activation de liaisons C-O catalysée par le nickel et

sulfénylation de liaisons C-H

Thomas Hostier

To cite this version:

Thomas Hostier. Activation de liaisons C-O catalysée par le nickel et sulfénylation de liaisons C-H. Chimie organique. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2016. Français. �NNT : 2016PA066587�. �tel-01943599�

Université Pierre et Marie Curie

Ecole doctorale : Chimie Moléculaire ED 406

Laboratoire de Chimie Organique de l’ESPCI Paris

Activation de liaisons C-O catalysée par le nickel

et

Sulfénylation de liaisons C-H

Par Thomas HOSTIER

Thèse de doctorat de Chimie Organique

Dirigée par Janine COSSY

Présentée et soutenue publiquement le 2 décembre 2016

Devant un jury composé de :

Pr. Janine COSSY

Directeur de thèse

Pr. Vincent GANDON

Rapporteur

Dr. Xavier GUINCHARD

Rapporteur

Pr. Louis FENSTERBANK

Examinateur

Dr. Domingo GOMEZ PARDO

Examinateur

Dr. Vincent FEREY

Examinateur

3

Remerciements

Je commencerai en remerciant le Pr. Vincent Gandon, le Dr. Xavier Guinchard et le Pr. Louis Fensterbank d’avoir accepté de faire partie du jury de cette thèse et d'avoir consacré une partie de leur temps à l'évaluation de ce manuscrit.

Je remercie aussi la société Sanofi et plus particulièrement Gino Ricci et Vincent Ferey pour avoir financé cette thèse ainsi que pour leurs encouragements, la liberté d’action laissée dans mes travaux et les discussions scientifiques enrichissantes que nous avons eues lors des réunions d’avancement. Je souhaiterai ensuite exprimer mes plus sincères remerciements au Pr. Janine Cossy qui m’a accueilli dans son laboratoire pendant ces trois années et a accepté de diriger ces travaux. Je vous remercie de votre confiance au quotidien, de vos encouragements, et de vos conseils réguliers.

De même, je souhaiterai remercier le Dr. Domingo Gomez Pardo pour m’avoir guidé et conseillé au cours de ces trois ans. Merci pour ton optimisme indéfectible et pour toujours avoir été disponible en cas de problème.

J'étendrai également ces remerciements aux autres membres permanents du laboratoire ; à feu Stellios, exilé outre Manche, pour ses expressions charmantes, sa bonne humeur quotidienne et sa passion pour la chimie parce que « conceptuellement, c’est beau » ; à Amandine pour ses nombreux conseils dans des domaines divers et variés, et pour avoir ri à mes mauvaises blagues occasionnelles ; à Véronique pour sa gentillesse et son calme à toute épreuve ; à Andrei pour ses connaissances en chimie organométallique et pour toujours avoir fait réparer la machine à glace rapidement. Enfin, je remercie particulièrement Christophe pour tous tes conseils, ton écoute attentive quel que soit l’heure de la journée, toutes les discussions scientifiques et autres durant ces trois ans, et surtout pour être toujours prêt à partager tes connaissances apparemmment sans limites.

Un grand merci à Isabelle, Hélène et Arthur pour le support administratif et informatique de haut niveau que vous accomplissez, et sans lequel tout thésard n'accomplirait que peu de choses.

Merci à Thomas pour t’occuper avec tant d’amour de la RMN, appareil vital à tout bon chimiste organicien, et plus généralement de tout appareil en état de fonctionnement dans le labo.

Je vais bien évidemment remercier avec soin les membres et ex-membres de la DGP Team. Merci tout d’abord à Gaël, pour m’avoir accueilli dans le labo, pour m’avoir initié au folk irlandais, pour les pauses café/clope plus ou moins n’importe quand dans la journée et pour toutes les discussions philosophiques (ou pas) du vendredi soir.

4 Merci à Sarah pour ne jamais avoir réussi à arriver avant 10h du matin en trois ans de thèse (héhé, elle est tellement facile mais je ne pouvais pas la louper) ! Non plus sérieusement merci d’avoir partagé mon quotidien de paillasse durant ces trois ans, d’avoir rigolé à une grande majorité de mes blagues douteuses, de m’avoir accompagné dans mes délires musicaux occasionnels, et d’avoir toléré toutes mes remarques désobligeantes sans trop m’insulter.

Merci à Alexandra, ma camarade de hotte, pour ta bonne humeur quotidienne, et pour ton accent exotique qu’il me sera difficile d’oublier. Merci de m’avoir enseigné le grec (un peu), de m’avoir nourri (un peu) en fin d’après midi lorsque je venais mendier du chocolat, et surtout de m’avoir si souvent demandé « Mais qu’est-ce que tu fais ? » avec un ton autoritaire et un regard inquisiteur. Merci à Zeina pour tes couleurs capillaires charmantes, ta gentillesse, ta candeur, et ta passion du dépôt solide. Je te souhaite bon courage pour la fin de ta thèse, avec ou sans nickel.

Merci à Johan (et oui, toi aussi tu fais partie de l’équipe DGP !), pour toutes les discussions scientifiques (entre autres), ton humour désopilant et tes expressions improbables. Tu es un chimiste brillant, et je te souhaite une longue et heureuse carrière au CNRS.Sans oublier le « petit » Grégory, aka Poker man, pour tes connaissances animalières et tes talents artistiques. Enfin, bon courage et bonne chance au nouveau venu dans l’équipe, Guillaume M., pour les trois ans qui s’annoncent. Merci au groupe des Meyer ; à Boiss, l’homme qui soigne Le Cancer, à Ernouf, l’homme qui murmurait à l’oreille des cyclopropènes, et à Florence (ou Floflow), la femme qui murmurait tout court. Merci à tous les trois pour ses trois ans de thèse au labo comme au foyer. Bonne route aux deux Guillaume, bon courage à Florence pour cette dernière année de paillasse, et bienvenue aux deux « petits nouveaux », Alexandre et Aziz.

Merci à Morgan, aka Uber man, pour m’avoir transmis ton amour de la variété française, pour ton humour piquant mais toujours raffiné, pour toutes les soirées du vendredi, mais surtout pour ta sympathie parce que je sais que « derrière cette carapace, il y a un homme sensible avec un cœur pur ». Merci à Nico, aka ADN man, pour tes tenues de hipster improbables ; à Marllon do Brasil, pour ton accent chatoyant, tes petits polos roses moulants et ta musculature généreuse. Merci à Simon, mon binôme de TP, aka Le Chercheur, pour tes conseils chimiques avisés et ta bonne humeur.

Merci à Julien pour ta gentillesse, ta chevelure abondante mais surtout pour ta sérénité dans la vie comme au labo, terriblement contagieuse. Merci à Tatiana pour tes narines frétillantes, ton sourire quotidien, ton écoute et ton accent dépaysant (et aussi pour ne pas avoir réussi à placer un seul article dans une discussion en 9 mois). Je n’oublie pas Pierrick, un autre Auvergnat dans le labo, c’est assez rare pour être souligné.

5 Merci à Baptiste, l’homme qui ne murmurait jamais, pour ton dynamisme matinal et ta bonne humeur sans failles. Merci à Etienne, l’homme aux triceps saillants et compère depuis Chimie Clermont, pour ces trois ans de labo, de RU, de déconne, de blagues moisies, de Julien Cazarre, de sports (télévisuelles), de Section Paloise (lol!), de brunch, de bars (de rire), de Café Oz, de bières, de pastis, bref d’amitié. Merci à Laurine pour apporter tant de douceur dans ce monde de brutes, et pour avoir lancé autant de manips en deux ans que tous les thésards réunis de ces 20 dernières années. Merci à Thibault, pout ton accent chantant et toutes les discussions autour d’une clope (normale ou électronique), et à Morgan pour ta gentillesse.

Je n’oublierai pas de remercier tous les autres stagiaires, thésards et post-docs que j’ai pu côtoyer durant ces trois ans de thèse : Kévin, Johan, Cyril, Jean-Philippe, Romain, Jérémy, Baba, Laurent, Pierre-Antoine, Mélanie, Paolo, Damien, Elodie, Alexandre, Nisha, Tao, Parth, et pardon pour ceux que j’aurai oublié.

Merci à tous mes ex-camarades de Chimie Clermont pour tous les moments de détente passés ensemble sur Paris ou ailleurs, et qui étaient trop peu nombreux à mon goût : Romain, Gauthier, Yaél, Damien, Gary, Gu, Denis, Nadège, Nico, Geoffrey, Joy, Charlotte ; sans oublier bien sûr les ex-CPI, Manon, Manue et Guillaume. Une petite dédicasse à mes ex-collocs de Villejuif, Antonin, Jeanne, Camille, et à mon ex-coloc parisienne, Popow. C’est toujours bon d’avoir un peu de compagnie après certaines journées de boulot déprimantes.

Merci à tous mes potes d’Auvergne, pour m’avoir permis de me ressourcer quand je rentrais au « pays » : Matthieu, Elodie, Ben, Martin, Charly, Pauline, Nicow, Jérèm, Ugo, Vaness, Margaux H., Margaux B. et Antho. J’ai toujours autant de plaisir à vous revoir même si les occasions manquent. Je terminerai enfin par remercier toute ma famille, et en particulier mes parents et ma sœur, pour avoir été à mes côtés durant toutes ces années. Pour m’avoir encouragé et soutenu dans les moments difficiles. Pour votre amour inconditionnel même si je suis parfois (souvent) avare de nouvelles et de visites. Je n’en serai jamais arrivé là sans vous, alors je vous remercie du fond du cœur.

7

Sommaire

Liste des Abréviations ... 13

Avant-propos ... 17

Introduction générale ... 19

Chapitre 1 : Couplage croisé par activation de liaisons C(sp

)-O catalysée par

le nickel ... 23

1. Etude bibliographique ... 25

1.1. Généralités sur les couplages croisés métallo-catalysés ... 25

1.2. Partenaires électrophiles oxygénés dans les couplages croisés ... 27

1.3. Utilisation du nickel dans les couplages croisés métallo-catalysés ... 29

1.4. Formation de liaisons C(sp

)-C par activation de liaisons C(sp

)-O catalysée par le

nickel ... 31

1.4.1. Activation de liaisons C(sp

)-O par le nickel ... 31

1.4.2. Mécanisme général ... 33

1.4.3. Activation de liaisons C(sp

)-O d’esters et carbamates ... 35

1.4.3.1. Couplage de Kumada ... 35

1.4.3.2. Couplage de Suzuki-Miyaura ... 37

1.4.3.3. Couplage de Negishi ... 39

1.4.4. Activation de liaisons C(sp

)-O d’éthers ... 40

1.4.4.1. Couplage de Kumada ... 40

1.4.4.2. Couplage de Suzuki-Miyaura ... 46

1.4.4.3. Autres couplages ... 48

8

1.4.6. Bilan ... 52

2. Contexte et objectifs de l’étude... 53

2.1. Contexte ... 53

2.2. Objectifs ... 55

3. Résultats et discussions ... 56

3.1. Synthèse des substrats requis pour l’étude ... 56

3.1.1. Synthèse d’éthers vinyliques par réaction de Wittig ... 56

3.1.2. Synthèse d’éthers vinyliques de type 3-méthoxyacrylate ... 58

3.2. Etudes préliminaires ... 59

3.3. Optimisation des conditions réactionnelles ... 62

3.3.1. Influence du ligand ... 62

3.3.2. Influence de différents paramètres ... 64

3.3.2.1. Utilisation de PPh3 comme ligand ... 64

3.3.2.2. Utilisation de (O)PPh3 comme ligand ... 65

3.4. Généralisation de la méthode ... 68

3.4.1. Champ d’application des éthers d’énols méthyliques ... 68

3.4.1.1. α-Méthoxystyrènes para-substitués ... 68

3.4.1.2. Dérivés hétéroaromatiques ... 72

3.4.1.3. Autres éthers d’énols méthyliques ... 74

3.4.2. Champ d’application des réactifs de Grignard ... 76

3.4.2.1. Réactifs de Grignard (hétéro)aromatiques ... 76

3.4.2.2. Réactifs de Grignard aliphatiques ... 78

3.4.2.3. Réactifs de Grignard vinyliques, allyliques et acétyléniques... 79

3.4.3. Application de la méthode à un système 1,3-diénique ... 81

3.4.4. Bilan des produits synthétisés ... 82

9

3.5.1. Propositions de mécanismes ... 83

3.5.1.1. Mécanisme principal ... 83

3.5.1.2. Mécanisme de la réaction d’homocouplage ... 86

3.5.2. Stéréosélectivité de la réaction de couplage ... 88

4. Conclusion ... 92

5. Perspectives ... 94

Chapitre 1 : Partie Expérimentale ... 95

1. General experimental ... 97

2. Synthesis of starting materials ... 98

2.1. Synthesis of alkenyl methyl ethers by Wittig reaction ... 98

2.2. Synthesis of 3-methoxyacrylates from alkynes ... 116

2.3. Preparation of the Grignard reagents ... 118

3. Nickel-catalyzed Kumada coupling of alkenyl methyl ethers ... 119

Chapitre 2 : Formation de liaisons C

-S par fonctionnalisation de liaisons C-H

... 149

1. Etude bibliographique ... 151

1.1. Introduction ... 151

1.2. Formation de liaisons C

-S par activation de liaisons C-H métallo-catalysée ... 152

1.2.1. Activation C-H catalysée par des complexes de palladium ... 153

1.2.1.1. Formation de liaisons CAr-S par réaction intramoléculaire ... 153

1.2.1.2. Formation de liaisons CAr-S par réaction intermoléculaire... 159

1.2.2. Activation C-H catalysée par des complexes de cuivre ... 164

1.2.3. Activation C-H catalysée par des complexes de rhodium, ruthénium et nickel 170

10

1.3. Sulfénylation de liaisons C-H (hétéro)aromatiques par S

Ar ... 174

1.3.1. A partir de thiols, disulfures et dérivés sulfonés ... 175

1.3.2. A partir de N-thioimides et autres dérivés électrophiles ... 181

2. Résultats et discussions ... 183

2.1. Formation de liaisons C

-S par activation dirigée de liaisons C-H métallo-catalysée

... 183

2.1.1. Objectif ... 183

2.1.2. Sulfonation d’acétanilides par activation de liaisons C-H pallado-catalysée .... 184

2.1.3. Sulfénylation d’acétanilides par activation de liaisons C-H métallo-catalysée . 190

2.1.3.2. Sulfénylation C-H d’acétanilides à partir de réactifs soufrés électrophiles ... 192

2.1.4. Bilan ... 194

2.2. Sulfénylation régiosélective de liaisons C-H (hétéro)aromatiques ... 195

2.2.1. Sulfénylation électrophile d’aromatiques sans métal ... 195

2.2.1.1. Objectif ... 195

2.2.1.2. Etudes préliminaires ... 195

2.2.1.3. Généralisation de la méthode ... 200

2.2.1.3.1. Champ d’application du partenaire aromatique ... 200

2.2.1.3.2. Champ d’application du partenaire soufré électrophile ... 205

2.2.1.4. Mécanisme de la réaction de sulfénylation d’aromatiques ... 209

2.2.1.5. Bilan ... 210

2.2.2. Sulfénylation d’indoles en position C2 sans métal ... 212

2.2.2.1. Rappels bibliographiques : synthèse de 3-thioindoles et 2-thioindoles ... 212

2.2.2.2. Objectif ... 215

2.2.2.3. Etudes préliminaires ... 216

2.2.2.4. Généralisation de la méthode ... 218

11

2.2.2.4.2. Champ d’application du partenaire soufré électrophile ... 224

2.2.2.5. Mécanisme de la réaction de C2-sulfénylation d’indoles ... 227

2.2.3. Bilan ... 229

3. Conclusion ... 231

Chapitre 2 : Partie expérimentale ... 233

1. General experimental ... 235

2. Metal-free electrophilic sulfenylation of aromatics ... 236

2.1. Preparation of N-thiosuccinimides ... 236

2.2. Synthesis of thioethers ... 240

3. Metal-free C2-sulfenylation of indoles ... 260

3.1. Synthesis of starting materials ... 260

3.1.1. Preparation of N-thiosuccinimides ... 260

3.1.2. Preparation of indoles ... 266

3.2. Synthesis of thioindoles ... 271

Conclusion générale ... 289

Références bibliographiques ... 293

13

Liste des Abréviations

Å : angström AB : acide de Brønsted Ac : acétyle acac : acétylacétonate AL : acide de Lewis Alk : alkyle Am : amyle Ar : aryle

βn : angle de morsure naturel

BHT : 2,6-di-tert-butyl-4-méthylphénol Bipy : 2,2’-bipyridine Bn : benzyle Boc : tert-butyloxycarbonyle Bu : butyle c : concentration cal : calorie cat : catalytique/catalyseur

CCM : chromatographie sur couche mince Conv : conversion

CSA : acide camphorsulfonique

Cy : cyclohexyle

dba : dibenzylidèneacétone

DCE : 1,2-dichloroéthane

dcype : 1,2-bis(diphénylphosphino)éthane DFT : Density Functional Theory

DIBAL-H : hydrure de diisobutylaluminium DMAc : diméthylacétamide DMAP : 4-(N,N-diméthylamino)pyridine DME : diméthoxyéthane DMF : N,N-diméthylformamide DMSO : diméthylsulfoxyde dppe : 1,2-bis(diphénylphosphino)éthane dppf : 1,1’-bis(diphénylphosphino)ferrocène dppp : 1,2-bis(diphénylphosphino)propane DTBP : peroxyde de di-tert-butyle E : électrophile éq : équation équiv : équivalent Et : éthyle

EtOAc : acétate d’éthyle

GC/MS : chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse

GD : groupement directeur

GEA : groupement électro-attracteur

GED : groupement électro-donneur

GF : groupement fonctionnel

14

h : heure

Hal : halogène

Het : hétérocycle

HRMS : spectrométrie de masse à haute résolution ICy : 1,3-dicyclohexylimidazol-2-ylidène

i.e. : id est

IPr : 1,3-bis(2,4,6-triméthylphényl)imidazol-2-ylidène

IR : infrarouge

J : constante de couplage de spin

k : kilo

KIE : Kinetic Isotope Effect

L : ligand

LDA : diisopropylamidure de lithium LiHMDS : bis(triméthylsilyl)amidure de lithium

m : meta

M : métal

[M] : complexe métallique

Me : méthyle

min : minute

MoD : métallation ortho-dirigée Mp : point de fusion (melting point)

Naph : naphtyle ND : non déterminé NHC : N-heterocyclic carbene NMM : N-méthylmorpholine NMP : N-méthyl-2-pyrrolidone Nu : nucléophile o : ortho p : para PE : éther de pétrole Ph : phényle Piv : pivaloyle PO : 1-(2-(diphénylphosphino)phényl)éthanol Pr : propyle Py : pyridine

PyBroP : hexafluorophosphate de bromotripyrrolidinophosphonium

R : groupement non défini

Rdt : rendement

RMN : résonance magnétique nucléaire SDS : dodécylsulfate de sodium SE : substitution électrophile

Selectfluor : bis(tétrafluoroborate) de N-chlorométhyl-N′-fluorotriéthylènediammonium SET : Single Electron Transfer

S-Phos : 2-dicyclohexylphosphino-2′,6′-diméthoxybiphényle

ta : température ambiante

TBAF : fluorure de tétrabutylammonium TBHP : hydroperoxyde de tert-butyle TBS : tert-butyldiméthylsilyle

Temp : température

TEMPO : 2,2,6,6-tétraméthylpipéridine 1-oxyl

Tf : triflate

15 THF : tétrahydrofurane TIPS : triisopropylsilyle TM : tamis moléculaire TMEDA : N,N,N’,N’-tétramethyléthylènediamine TMS : triméthylsilyle Tol : tolyle Ts : tosyle XantPhos : 4,5-bis(diphénylphosphino)-9,9-diméthylxanthène

17

Avant-propos

Les composés présentés dans ce manuscrit seront numérotés de la façon suivante, selon leur ordre d’apparition dans le texte :

- Les numéros des molécules décrites dans le chapitre 1 ou 2 seront précédés du chiffre 1 ou 2. - Les numéros des molécules se rapportant à des résultats exposés dans la bibliographie

seront précédés de la lettre B (1.B pour la chapitre 1, 2.B pour le chapitre 2).

- Les molécules ou complexes métalliques correspondant à une structure-type seront désignés par une lettre dans l’ordre alphabétique.

- Les composés synthétisés lors de nos travaux seront numérotés à partir de 1 dans chaque chapitre.

Les schémas, figures et tableaux seront numérotés par ordre d’apparition croissant à partir de l’introduction générale.

18

19

Introduction générale

21 L’élaboration de synthèses rapides et efficaces de molécules organiques complexes à partir de substrats de départ abondants constitue un véritable enjeu de la chimie organique contemporaine. Celle-ci nécessite le développement de nouvelles méthodes de synthèse flexibles et robustes pour la formation régiosélective de liaisons carbone-carbone ou carbone-hétéroatome. Ces méthodes permettront à terme l’accès à des molécules d’intérêt pour l’industrie pharmaceutique, agrochimique, agroalimentaire, cosmétique ou encore l’industrie du plastique. Elles se doivent donc d’être sûres, opérationnellement simples et performantes dans une optique d’applicabilité à l’échelle industrielle.

Depuis le début des années 1990, les chimistes organiciens s’efforcent en outre de développer des méthodes de synthèse qui s’inscrivent dans le contexte de la chimie « verte », également appelée chimie durable ou chimie renouvelable. Celle-ci repose sur différents principes mettant en exergue l’économie d’atomes et d’étapes, l’optimisation des procédés d’un point de vue énergétique et l’utilisation de matières premières renouvelables peu toxiques. Par exemple, dans le domaine des réactions métallo-catalysées, des efforts considérables sont réalisés afin de remplacer le palladium, métal onéreux habituellement utilisé, par des métaux abondants et moins toxiques (Cu, Fe, Ni, Co). Des recherches conséquentes sont également conduites sur le développement de conditions réactionnelles pour former des liaisons carbone-hétéroatome par fonctionnalisation directe de liaisons C-H, transformation idéale en termes d’économie d’étapes et d’atomes.

Nos travaux s'inscrivent dans ce cadre et ont été réalisés en partenariat avec Sanofi. Ce manuscrit a été divisé en deux chapitres traitant de deux sujets très distincts. Ces chapitres incluent les préambules bibliographiques spécifiques au sujet traité, ainsi que les résultats qui ont été obtenus.

Le premier chapitre est consacré au couplage croisé catalysé par le nickel d’éthers d’énols méthyliques avec des réactifs de Grignard (Schéma 1). Une étude bibliographique portant sur la formation de liaisons C(sp2)-C par activation de liaisons C(sp2)-O catalysée par le nickel sera exposée.

Schéma 1

Le deuxième chapitre est dévolu à la formation de liaisons C-S par fonctionnalisation de liaisons C-H de composés (hétéro)aromatiques. Des rappels bibliographiques concernant la sulfénylation/sulfonation d’(hétéro)aromatiques par activation de liaisons C-H métallo-catalysée et par SEAr seront présentés. La partie dédiée aux résultats comporte deux sections principales : la

22 première traitera de la formation de liaisons CAr-S par activation dirigée de liaisons C-H

métallo-catalysée (Schéma 2, éq 1) ; la deuxième section sera consacrée à la sulfénylation d’(hétéro)aromatiques par SEAr sans métal de transition (Schéma 2, éq 2).

23

Couplage croisé par activation de

25

1. Etude bibliographique

1.1. Généralités sur les couplages croisés métallo-catalysés

A ce jour, les couplages croisés métallo-catalysés font partis des méthodes les plus polyvalentes en synthèse organique pour former des liaisons C(sp2)-carbone ou C(sp2)-hétéroatome. En opposition à une réaction d’homocouplage, le couplage croisé correspond à l’assemblage de deux fragments moléculaires différents, et fait intervenir un partenaire électrophile halogéné ou pseudo-halogéné ainsi qu’un partenaire nucléophile de type organométallique ou organique. De nombreux métaux de transition ont été utilisés jusqu’à maintenant pour catalyser ce type de transformation tels que le palladium, le nickel, le cuivre, le platine, le fer ou encore le cobalt (Schéma 3).1

Schéma 3

Les premiers exemples de couplages croisés métallo-catalysés, datant du début des années 1970, reportent l’utilisation de complexes métalliques au cuivre2, au fer3 ou au nickel.4 Cependant, depuis ces travaux pionniers, une attention toute particulière a été portée sur le développement de méthodes de couplage catalysées par le palladium, en raison de nombreux avantages reposant sur la diversité, la facilité de synthèse ainsi que la stabilité des catalyseurs au palladium dans des conditions oxydantes et aqueuses. De plus, l’isolement et l’analyse structurale des complexes intermédiaires réactionnels sont relativement aisés et ont grandement facilité les études mécanistiques, indispensables au développement et à la mise au point de conditions réactionnelles adaptées. Divers composés organométalliques ont été utilisés comme partenaires nucléophiles pour former des liaisons C(sp2)-C, et définissent des réactions universellement adoptées par les chimistes organiciens telles que les couplages de Hiyama5, Kumada6, Negishi7, Suzuki-Miyaura8, et Stille.9 Ces réactions

1 _{a) Metal-Catalyzed Cross-Coupling Reactions (Eds.: F. Diederich, Stang, P. J.), Wiley-VCH, New-York, 1998. b)} Tsuji, J. Palladium Reagents and Catalysts: New Perspectives for the 21st Century, 2nd ed.; Wiley: New York, 2004.

2 _{Tamura, M.; Kochi, J. K. J. Organometal. Chem. 1972, 42, 205.} 3

Tamura, M.; Kochi, J. K. J. Am. Chem. Soc. 1971, 93, 1487. 4

Tamao, K.; Sumitani, K.; Kumada, M. J. Am. Chem. Soc. 1972, 94, 4374. 5 _{Hiyama, T.; Shirakawa, E. Top. Curr. Chem. 2002, 219, 61.}

6

Terao, J.; Kambe, N. Acc. Chem. Res. 2008, 41, 1545. 7

a) Negishi, E. I. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2007, 80, 233. b) Negishi, E. I. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2007, 80, 1598. 8 _{a) Miyaura, N.; Suzuki, A. Chem. Rev. 1995, 95, 2457. b) Miyaura, N. Top. Curr. Chem. 2002, 219, 11.} 9

26 pallado-catalysées reposent majoritairement sur l’utilisation d’un partenaire électrophile halogéné (X = I, Br, Cl) ou pseudo-halogéné (X = OTf) en série aromatique, hétéroaromatique et vinylique (Schéma 4).

Schéma 4

Malgré l’usage prépondérant du palladium dans les couplages croisés, de nombreux efforts ont été réalisés pour substituer celui-ci par d’autres métaux de transition moins onéreux. Notamment, le développement de couplages croisés catalysés par des complexes de nickel a eu un impact de premier plan en synthèse organique. Différents partenaires organométalliques ont été employés pour réaliser des couplages de type Kumada, Negishi ou Suzuki-Miyaura avec des électrophiles halogénés, témoignant de la grande flexibilité du nickel comme catalyseur métallique.10

Signalons également que depuis les années 1990, de nombreuses méthodes de couplage croisé métallo-catalysé ont été reportées pour former des liaisons C(sp2)-N et C(sp2)-O, en raison de la prévalence de ces liaisons dans les produits naturels et les composés biologiquement actifs.11 Une grande variété de conditions réactionnelles ont été développées pour réaliser ces transformations, faisant intervenir majoritairement des catalyseurs métalliques au palladium, au cuivre ou au nickel, ainsi que des partenaires électrophiles halogénés.12

10 _{Hassan, J.; Sévignon, M.; Gozzi, C.; Schulz, E.; Lemaire, M. Chem. Rev. 2002, 102, 1359 et références citées.} 11

a) Hartwig, J. F. Nature 2008, 455, 314. b) Magano, J.; Dunetz, J. R. Chem. Rev. 2011, 111, 2177. 12

Sélection de revues récentes : a) Beccalli, E. M.; Broggini, G.; Martinelli, M.; Sottocornola, S. Chem. Rev. 2007, 107, 5318. b) Monnier, F.; Taillefer, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 6954. c) Beletskaya, I. P.; Cheprakov, A. V. Organometallics 2012, 31, 7753.

27

1.2. Partenaires électrophiles oxygénés dans les couplages croisés

Les dérivés halogénés sont considérés comme des partenaires électrophiles de choix dans les couplages croisés métallo-catalysés en raison de la grande réactivité des liaisons C–X vis-à-vis d’un métal de transition, caractéristique découlant directement de la forte polarisabilité de l’atome d’halogène X.

Cependant, de nombreux inconvénients sont associés à l’utilisation de dérivés halogénés. En effet, ces composés sont généralement toxiques et génèrent, après couplage, des sels métalliques halogénés de haut poids moléculaire dangereux pour l’environnement, dont le traitement et l’élimination s’avèrent difficile. De plus, les halogénures aromatiques et vinyliques ne sont pas disponibles à partir de ressources naturelles, et leur synthèse implique généralement l’utilisation de composés toxiques dans des conditions réactionnelles dures.13 C’est pourquoi, des efforts conséquents ont été réalisés ces dernières années pour trouver des électrophiles alternatifs aux dérivés halogénés dans les couplages croisés métallo-catalysés.

Les électrophiles oxygénés sont particulièrement attractifs en raison de leur faible toxicité et de leur grande accessibilité. En effet, ces composés peuvent être rapidement synthétisés à partir de phénols ou de composés carbonylés, ressources naturellement abondantes et peu onéreuses. Les composés énoliques/phénoliques sont généralement protégés par différentes fonctions afin d’accroître le pouvoir nucléofuge du groupement oxygéné dans les réactions de couplage croisé. Ainsi, les phénols permettent un accès rapide à une large gamme d’électrophiles oxygénés incluant, entre autres, les phosphonates, les sulfonates, les esters et les éthers d’aryles (Schéma 5). De même, divers électrophiles dérivés d’énols sont facilement accessibles par déprotonation de dérivés carbonylés, puis piégeage de l’énolate formé par un électrophile.

Schéma 5

13 _{a) de La Mare, P. D. B. Electrophilic Halogenation, Cambridge University Press, New York, 1976. b) Hodgson,} H. H. Chem. Rev. 1947, 40, 251.

28 L’utilisation de dérivés de phénols présente également d’autres avantages. En effet, la présence d’un groupement oxygéné sur le cycle aromatique permet l’introduction de substituants supplémentaires par un grand nombre de méthodes. Dans le cas des réactions de substitution électrophile aromatique, un choix adapté du groupement oxygéné et de l’électrophile permet généralement de former avec une grande régiosélectivité le produit ortho- ou para-substitué.14 La substitution en position ortho de dérivés de phénols peut également être réalisée par métallation ortho-dirigée (MoD).15 Par exemple, différents groupements fonctionnels tels que des éthers, des carbamates ou des sulfamates ont été utilisés pour réaliser l’ortho-lithiation d’aromatiques 1.B1. L’espèce organolithiée 1.B2 réagit ensuite avec un électrophile (E+) pour conduire au produit ortho-substitué correspondant 1.B3, pouvant lui-même être utilisé comme substrat dans un couplage croisé métallo-catalysé (Schéma 6).

Schéma 6

Récemment, l’ortho-arylation d’arylpivalates16 et d’arylcarbamates17 a été réalisée par activation de liaisons C-H pallado-catalysée. La relative stabilité de ces composés dans des conditions usuelles de catalyse au palladium offre ainsi des opportunités intéressantes pour la fonctionnalisation orthogonale de dérivés de phénols possédant des liaisons C-X (X = I, Br, Cl).

Les électrophiles dérivés de phénols et d’énols disposent par conséquent de réels avantages par rapport à leurs homologues halogénés puisqu’ils sont facilement accessibles, relativement peu toxiques avec un impact environnemental limité, et autorisent une grande variété de fonctionnalisations antérieures au couplage croisé. Cependant, la mise au point de conditions réactionnelles utilisant des partenaires électrophiles oxygénés n’est pas aussi simple que pour les composés halogénés. En effet, l’énergie de dissociation (D0) d’une liaison CAr-O est relativement

élevée par rapport aux liaisons CAr-X (notamment pour X = I, Br), indiquant que la rupture

14 _{Smith, M. B.; March, J. March’s Advanced Organic Chemistry, 6th ed. ; John Wiley & Sons, Inc. : Hoboken, NJ,} 2007 ; p 670.

15

a) Snieckus, V. Chem. Rev. 1990, 90, 879. b) Hartung, C. G.; Snieckus, V. In Modern Arene Chemistry; Astruc, D., Ed.; Wiley-VCH: New-York, 2002 ; p 360. c) Macklin, T. ; Snieckus, V. In Handbook of C-H Transformations; Dyker, G., Ed.; Wiley-VCH: New York, 2005; p 106.

16

Xiao, B.; Fu, Y.; Xu, J.; Gong, T.-J.; Dai, J.-J.; Yi, J.; Liu, L. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 468.

17 _{a) Bedford, R. B.; Webster, R. L.; Mitchell, C. J. Org. Biomol. Chem. 2009, 7, 4853. b) Zhao, X.; Yeung, C. S.;} Dong, V. M. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 5837.

29 homolytique d’une liaison CAr-O, et donc l’insertion d’un métal de transition, est difficile d’un point

de vue thermodynamique (Figure 1).18

Figure 1

Signalons également que, pour un groupement oxygéné donné (éther, acétate ou hydroxyle), la D0 de

la liaison CAr-O est supérieure à son homologue non aromatique (O-C, O-C(O), O-H), ce qui peut

induire des réactions parasites diminuant le rendement du couplage. Par conséquent, le développement de systèmes catalytiques permettant une réactivité sélective des liaisons C(sp2)-O dans des molécules complexes représente un véritable défi pour les chimistes organiciens.

1.3. Utilisation du nickel dans les couplages croisés métallo-catalysés

Dans un premier temps, d’un point de vue économique, le nickel est clairement plus intéressant que les autres métaux de transition du groupe 10, à savoir le palladium et le platine. En effet, le prix du nickel dans sa forme élémentaire est d’environ 4 000 fois inférieur à celui du palladium et 11 000 fois inférieur au platine, dans le cas d’un comparatif mole par mole (Tableau 1).19

Tableau 1

Métal de transition

Nickel Palladium Platine

Prix (US$/mol) 0,61 2217,12 6855,40

Le nickel est un métal de transition relativement électropositif (χNi = 1,91 versus χPd = χPt = 2,20). Ainsi,

l’addition oxydante,20 qui résulte d’une perte d’électrons autour du métal, se produit assez facilement et, à l’inverse, l’élimination réductrice s’avère plus difficile.21 En tant que métal de transition de la première période, le nickel a un rayon atomique plus faible que ses homologues du

18 _{Pedley, J. B.; Naylor, R. D.; Kirby, S. P. Thermochemical Data of Organic Compounds, 2nd ed.; Chapman and} Hall: New York, 1986.

19

Prix obtenus sur le site https://www.quandl.com/collections/markets/metals (18/07/16). 20 _{Tsou, T. T.; Kochi, J. K. J. Am. Chem. Soc. 1979, 101, 6319.}

21

30 groupe 10 (rNi = 1,24 Å < rPd = 1,39 Å < rPt = 1,36 Å).22 Ces différentes caractéristiques font du nickel un

catalyseur de choix pour réaliser des couplages croisés utilisant des électrophiles peu réactifs dans des conditions classiques de catalyse au palladium, tels que les dérivés de phénols et d’énols,23 les nitriles aromatiques24 ou encore les fluorures aromatiques (Figure 2).25

Figure 2

La majorité des couplages croisés pallado-catalysés repose sur un cycle catalytique Pd(0)/Pd(II), et procède généralement selon un mécanisme non radicalaire. En revanche, le nickel peut se retrouver dans un grand nombre d’états d’oxydation (0, +I, +II, +III, +IV) ce qui permet d’avoir des modes de réactivité différents de ceux du palladium. Bien que les cycles catalytiques Ni(0)/Ni(II) soient largement répandus dans les couplages croisés, de nombreuses transformations sont basées sur des cycles catalytiques Ni(I)/Ni(III), Ni(0)/Ni(II)/Ni(I), ou encore des réactions pour lesquelles le métal reste sous la forme Ni(I) durant la totalité du cycle catalytique.26

22 _{Cordero, B.; Gómez, V.; Platero-Prats, A. E.; Revés, M.; Echeverría, J.; Cremades, E.; Barragán, F.; Alvarez, S.} Dalton Trans. 2008, 2832.

23

Sélection de revues : a) Yu, D.-G.; Li, B.-J.; Shi, Z.-J. Acc. Chem. Res. 2010, 43, 1486. b) Rosen, B. M.; Quasdorf, K. W.; Wilson, D. A.; Zhang, N.; Resmerita, A.-M.; Garg, N. K.; Percec, V. Chem. Rev. 2011, 111, 1346. c) Li, B.-J.; Yu, D.-G.; Sun, C.-L.; Shi, Z.-J. Chem. Eur. J. 2011, 17, 1728. d) Mesganaw, T.; Garg, N. K. Org. Process Res. Dev. 2013, 17, 29. e) Tobisu, M.; Chatani, N. Top. Organomet. Chem. 2013, 44, 35. f) Cornella, J.; Zarate, C.; Martin, R. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 8081. g) Su, B.; Cao, Z.-C.; Shi, Z.-J. Acc. Chem. Res. 2015, 48, 886. h) Tobisu, M.; Chatani, N. Acc. Chem. Res. 2015, 48, 1717.

24

a) Garcia, J. J.; Brunkan, N. M.; Jones, W. D. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 9547. b) Schaub, T.; Doring, C.; Radius, U. Dalton Trans. 2007, 1993. c) Yu, D.-G.; Yu, M.; Guan, B.-T.; Li, B.-J.; Zheng, Y.; Wu, Z.-H.; Shi, Z.-J. Org. Lett. 2009, 11, 3374.

25

a) Amii, H.; Uneyama, K. Chem. Rev. 2009, 109, 2119 et références citées. b) Yoshikai, N.; Matsuda, H.; Nakamura, E. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 9590. c) Tobisu, M.; Xu, T.; Shimasaki, T.; Chatani, N. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 19505.

26

31

1.4. Formation de liaisons C(sp

)-C par activation de liaisons C(sp

)-O

catalysée par le nickel

1.4.1. Activation de liaisons C(sp

)-O par le nickel

Différents groupements oxygénés peuvent être utilisés dans des couplages croisés catalysés au nickel. Ceux-ci peuvent être regroupés selon leur réactivité vis-à-vis du métal, correspondant à la facilité d’insertion du nickel dans la liaison C-O et à leur pouvoir nucléofuge : triflates, sulfonates/sulfamates/phosphonates, esters/carbonates/carbamates et éthers (Figure 3).27

Figure 3

Les triflates ont été parmi les premiers groupements nucléofuges oxygénés utilisés.28 En raison du pouvoir fortement électro-attracteur du groupe trifluorométhylsulfonyle, les triflates aromatiques et vinyliques possèdent une réactivité comparable à leurs homologues bromés dans les couplages croisés métallo-catalysés.29 Néanmoins, leur synthèse nécessite l’utilisation de réactifs coûteux, tel que l’anhydride triflique, et les composés obtenus sont relativement instables.

27 _{Sélection de revues récentes sur la catalyse au nickel : a) Yamaguchi, J.; Muto, K.; Itami, K. Eur. J. Org. Chem.} 2013, 19. b) Tasker, S. Z.; Standley, E. A.; Jamison, T. F. Nature, 2014, 509, 299. c) Ananikov, V. P. ACS Catal. 2015, 5, 1964. Pour une comparaison des réactivités de différents dérivés de phénols sous une catalyse au nickel, voir : d) Leowanawat, P.; Zhang, N.; Percec, V. J. Org. Chem. 2012, 77, 1018.

28

Scott, W. J.; Crisp, G. T.; Stille, J. K. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 4630. 29

Pour des exemples récents utilisant des triflates comme substrats, voir : a) Wolfe, J. P.; Tomori, H.; Sadighi, J. P.; Yin, S.; Buchwald, S. L. J. Org. Chem. 2000, 65, 1158. b) Nilsson, P.; Larhed, M.; Hallberg, A. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 8217. c) Lee, D.-Y.; Hartwig, J. F. Org. Lett. 2005, 7, 1169.

32 Les sulfonates et dérivés (sulfamates, phosphonates) constituent les électrophiles les plus largement employés dans les couplages croisés, en raison de leur stabilité relative par rapport aux triflates, et de leur réactivité importante vis-à-vis de métaux de transition, comparable à celle des dérivés chlorés.30 Cependant, l’inconvénient majeur avec l’emploi de sulfonates ou phosphonates est la génération de quantités stœchiométriques de déchets soufrés ou phosphorés à haut poids moléculaire.

Dans un souci de concision et de clarté, leur utilisation comme partenaires électrophiles dans des couplages croisés catalysés au nickel ne sera pas présentée dans cette partie bibliographique. Nous nous focaliserons sur l’emploi d’électrophiles oxygénés moins activés, qui seront regroupés en fonction de la nature du groupement partant, à savoir les esters/ carbamates d’une part, et les éthers d’autre part. Le cas particulier des phénols et phénolates sera également abordé. Les exemples reportés ci-après représentent une liste la plus exhaustive possible de toute la bibliographie existante pour former des liaisons C(sp2)-C par activation de liaisons C(sp2)-O catalysée au nickel avec des composés organométalliques (couplage C-O/C-M).23 Signalons également que le couplage croisé catalysé au nickel de partenaires organiques (azoles, esters, cétones, amides) avec des dérivés de phénols et d’énols (couplage C-O/C-H) a reçu une attention toute particulière ces dernières années, mais ce sujet ne sera pas développé dans cette partie bibliographique (Schéma 7).31

Schéma 7

30

Pour des exemples récents de couplages croisés catalysés au nickel utilisant des phosphonates, voir : a) Hansen, A. L.; Ebran, J.-P.; Gogsig, T. M.; Skrydstrup, T. Chem. Commun. 2006, 4137. b) Zhao, Y.-L.; Li, Y.; Li, Y.; Gao, L.-X.; Han, F.-S. Chem. Eur. J. 2010, 16, 4991. Pour des exemples récents de couplages croisés catalysés au nickel utilisant des sulfonates ou sulfamates, voir : c) Macklin, T. K.; Snieckus, V. Org. Lett. 2005, 7, 2519. d) Tu, T.; Mao, H.; Herbert, C.; Xu, M.; Dötz, K. H. Chem Commun. 2010, 46, 7796. e) Molander, G. A.; Beaumard, F. Org. Lett. 2010, 12, 4022.

31

Sélection d’exemples : a) Muto, K.; Yamaguchi, J.; Itami, K. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 169. b) Meng, L.; Kamada, Y.; Muto, K.; Yamaguchi, J.; Itami, K. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 10048. c) Koch, E.; Takise, R.; Studer, A.; Yamaguchi, J.; Itami, K. Chem. Commun. 2015, 51, 855. d) Cornella, J.; Jackson, E. P.; Martin, R. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 4075.

33

1.4.2. Mécanisme général

Il est communément admis que le mécanisme des couplages croisés métallo-catalysés de dérivés électrophiles oxygénés est identique à celui impliquant des partenaires halogénés. Dans le cas d’une catalyse au nickel, la réaction de couplage repose sur un cycle catalytique Ni(0)/Ni(II) qui comporte classiquement trois étapes élémentaires : addition oxydante (augmentation de l’état d’oxydation du métal de 0 à +II), échange de ligands (ou transmétallation) et élimination réductrice (diminution de l’état d’oxydation du métal de +II à 0). Le cycle catalytique débute par l'addition oxydante de l'espèce catalytique active Ni(0)Ln 1.B5 dans la liaison C-O du partenaire oxygéné pour générer le complexe

1.B6. Cette étape d’insertion du nickel dans la liaison C-O correspond à proprement parler à « l’activation de la liaison C-O » par le nickel. Le complexe 1.B6 subit ensuite une transmétallation de la part du composé organométallique (R-M) pour conduire à l’espèce 1.B7. Une élimination réductrice permet finalement de régénérer le complexe 1.B5et de former le produit attendu 1.B8 (Schéma 8a). Cependant, très peu de preuves expérimentales ou théoriques ont été reportées pour valider chacune des étapes de ce mécanisme, en particulier pour le processus d’addition oxydante. Récemment, le groupe d’Itami a isolé et caractérisé pour la première fois un complexe de Ni(II) de type Ar-Ni(II)-OC(O)R, obtenu par addition oxydante de Ni(0) dans la liaison CAr-O d’un ester

aromatique.32

Un second mécanisme peut être envisagé avec l’utilisation de partenaires organométalliques très réactifs, notamment des réactifs de Grignard RMgX, impliquant la formation d’une espèce anionique 1.B9, générée par attaque nucléophile de l’organométallique sur le complexe initial 1.B5. Le complexe ate de Ni(0) 1.B9 serait ainsi plus réactif que 1.B5 vis-à-vis de l’électrophile oxygéné, en raison de l’accroissement de la densité électronique autour du nickel. Le mécanisme exact de la formation de 1.B7 à partir de 1.B9 n’est pas clairement établi, mais serait différent d’une addition oxydante classique du métal dans la liaison C-O (Schéma 8b).33 Signalons également que, dans les deux cas, l’espèce catalytique active 1.B5 pourrait être générée par réduction in situ d’un complexe de Ni(II) avec l’organométallique servant de partenaire nucléophile.

32 _{Muto, K.; Yamaguchi, J.; Lei, A.; Itami, K. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 16384.} 33

Revue pionnière sur la formation de complexes ate de Ni(0) : a) Wilke, G. Angew. Chem., Int. Ed. 1988, 27, 185. Exemples représentatifs : b) Poerschke, K. R.; Klaus, J.; Wilke, G.; Benn, R.; Mynott, R.; Goddard, R.; Krueger, C. Chem. Ber. 1985, 118, 275. c) Kaschube, W.; Pörschke, K.-R.; Angermund, K.; Krüger, C.; Wilke, G. Chem. Ber. 1988, 121, 1921. d) Campora, J.; Reyes, M. L.; Hackl, T.; Monge, A.; Ruiz, C. Organometallics 2000, 19, 2950. e) Terao, J.; Kambe, N. Acc. Chem. Res. 2008, 41, 1545. Pour une étude théorique sur l’activation de liaisons C-OMe par des complexes ate de Ni(0), voir : f) Ogawa, H.; Minami, H.; Ozaki, T.; Komagawa, S.; Wang, C.; Uchiyama, M. Chem. Eur. J. 2015, 21, 13904.

34 Schéma 8

Pour certains exemples de couplages croisés par activation de liaison C-O catalysée au nickel, il a été montré que la présence d’un acide de Lewis (AL) dans le milieu réactionnel (généralement un organomagnésien ou un organoaluminium) facilitait l’addition oxydante du Ni(0) dans la liaison C-O. En effet, la complexation de l’acide de Lewis par l’atome d’oxygène permettrait d’abaisser l’énergie d’activation nécessaire à cette étape (Schéma 9).34

Schéma 9

34

Sélection de couplages croisés impliquant une catalyse au nickel assistée par un acide de Lewis : a) Yoshikai, N.; Matsuda, H.; Nakamura, E. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 9590. b) Nakao, Y. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2012, 85, 731. c) Cornella, J.; Martin, R. Org. Lett. 2013, 15, 6298. d) Liu, X.; Hsiao, C.-C.; Kalvet, I.; Leiendecker, M.; Guo, L.; Schoenebeck, F.; Rueping, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 6093.

35

1.4.3. Activation de liaisons C(sp

)-O d’esters et carbamates

1.4.3.1. Couplage de Kumada

En 1989, Kocienski et Dixon ont reporté le premier exemple de couplage croisé de vinylcarbamates catalysé au nickel. Les auteurs ont réalisé le couplage de 1.B10 avec des réactifs de Grignard aliphatiques en présence de Ni(acac)2 ou NiCl2(dppe) dans des conditions toutefois dures (reflux du

benzène). Les oléfines 1.B11 et 1.B12 ont été obtenues avec une rétention complète de la stéréochimie de la double liaison à partir de MeMgBr et BuMgBr, respectivement (Schéma 10).35

Schéma 10

Le groupe de Férézou a montré par la suite que des réactifs de Grignard acétyléniques étaient également des partenaires nucléophiles adaptés pour réaliser le couplage avec le vinylcarbamate 1.B10, en présence de NiCl2(PPh3)2. Notons que, dans ce cas, les énynes 1.B13 ont été obtenues avec

une inversion partielle de la stéréochimie du produit de départ 1.B10 (Schéma 11, éq 1).36 Ardisson et son équipe ont étendu le champ d’application des réactifs de Grignard à des vinylmagnésiens en employant le vinylcarbamate protégé 1.B14 comme partenaire oxygéné, en présence de Ni(acac)2

dans des conditions douces (Et2O, 0 °C) (Schéma 11, éq 2).37

Schéma 11

35

Kocienski, P.; Dixon, N. J. Synlett 1989, 52.

36 _{Madec, D.; Pujol, S.; Henryon, V.; Férézou, J. P. Synlett, 1995, 435.} 37

36 Snieckus et son équipe ont utilisé des conditions similaires pour réaliser le couplage de Kumada entre des (hétéro)aryles O-carbamates 1.B16 et différents réactifs de Grignard aromatiques et aliphatiques. Cette transformation tolère la présence de groupements électro-attracteurs et électro-donneurs sur le cycle aromatique, ainsi que l’utilisation d’arylcarbamates ortho-substitués (Schéma 12).38 Signalons que des réactifs de Grignard allyliques, benzyliques ou comportant une longue chaîne alkyle n’ont pas permis d’obtenir les produits de couplage attendus.

Schéma 12

Récemment, le groupe de Nakamura a développé un système catalytique comportant un ligand hydroxyphosphine bidentate (PO), permettant de réaliser avec une grande efficacité le couplage d’arylmagnésiens avec divers arylcarbamates 1.B18, dont des aromatiques électro-enrichis et

ortho-substitués (Schéma 13).34a Les auteurs attribuent l’activité catalytique élevée de leur système à la formation de l’espèce bimétallique Ni/Mg 1.B20, obtenue après déprotonation du ligand PO par le réactif de Grignard. La coordination du magnésium par l’atome d’oxygène du groupement carbonyle faciliterait l’addition oxydante du nickel dans la liaison CAr-O.

Schéma 13

38

37

1.4.3.2. Couplage de Suzuki-Miyaura

Dans les couplages de Suzuki-Miyaura, les dérivés organoborés possèdent une nucléophilie plus faible que les réactifs de Grignard, permettant d’éviter l’attaque directe du composé organométallique sur un groupement carbonyle. En 2008, les groupes de Shi et de Garg ont ainsi décrit simultanément le couplage croisé d’esters d’aryles avec des acides boroniques 1.B22 (Schéma 14, éq 1)39 et des boroxines 1.B25 (Schéma 14, éq 2).40 Les deux équipes ont utilisé le complexe commercial NiCl2(PCy3)3 comme catalyseur et K3PO4 comme base. Peu de temps après, Molander et

Beaumard ont reporté l’hétéroarylation de pivalates d’aryles en utilisant des trifluoroborates de potassium comme partenaires nucléophiles et un système catalytique Ni(cod)2/PCy3HBF4.41

Schéma 14

39

Quasdorf, K. W.; Tian, X.; Garg, N. K. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 14422.

40 _{Guan, B.-T.; Wang, Y.; Li, B.-J.; Yu, D.-G.; Shi, Z.-J. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 14468.} 41

38 Le couplage croisé de Suzuki-Miyaura catalysé au nickel a également pu être appliqué à des carbamates d’(hétéro)aryles en utilisant différents partenaires nucléophiles aromatiques de type acide boronique42 ou boroxine.43 Ces différents protocoles sont très intéressants d’un point de vue synthétique dans la mesure où le groupement carbamate peut servir de groupement directeur pour fonctionnaliser des composés aromatiques par métallation ortho-dirigée (MoD),44 tout en restant inerte dans des conditions usuelles de couplage croisé pallado-catalysé. Snieckus et son équipe ont ainsi utilisé les propriétés remarquables du groupement carbamate pour fonctionnaliser de façon orthogonale la pyridine 1.B27. Celle-ci a été transformée dans un premier temps en 1.B28 selon une séquence MoD/borylation/couplage de Suzuki-Miyaura pallado-catalysé, puis l’arylcarbamate 1.B28 obtenu a été engagé dans un couplage de Suzuki-Miyaura catalysé au nickel pour fournir la pyridine 1.B29 (Schéma 15).43a,45

Schéma 15

Dans le but de développer une méthode flexible pour synthétiser des oléfines polysubstituées à partir de composés carbonylés, Shi et son équipe ont mis au point des conditions générales permettant de coupler des arylboroxines avec des acétates de vinyle 1.B30 (Schéma 16, éq 1)46 et des carbamates de vinyle 1.B32 (Schéma 16, éq 2).43b De même que pour le couplage de carbamates/esters d’aryles, le complexe NiCl2(PCy3)2 s’est révélé comme le catalyseur optimal, et une

grande variété de dérivés vinyliques cycliques ou acycliques ont été fonctionnalisés en présence d’une quantité stœchiométrique (ou d’un faible excès) du partenaire organoboré.

42 _{a) Quasdorf, K. W.; Riener, M.; Petrova, K. V.; Garg, N. K. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 17748. b) Quasdorf, K.} W.; Antoft-Finch, A.; Liu, P.; Silberstein, A. L.; Komaromi, A.; Blackburn, T.; Ramgren, S. D.; Houk, K. N.; Snieckus, V.; Garg, N. K. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 6352.

43 _{a) Antoft-Finch, A.; Blackburn, T.; Snieckus, V. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 17750. b) Xu, L.; Li, B.-J.; Wu,} Z.-H.; Lu, X.-Y.; Guan, B.-T.; Wang, B.-Q.; Zhao, K.-Q.; Shi, Z.-J. Org. Lett. 2010, 12, 884.

44

Knappke, C. E. I.; von Wangelin, A. J. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 3568.

45 _{Alessi, M.; Larkin, A. L.; Ogilvie, K. A.; Green, L. A.; Lai, S.; Lopez, S.; Snieckus, V. J. Org. Chem. 2007, 72, 1588.} 46

39 Schéma 16

1.4.3.3. Couplage de Negishi

En 2008, Shi et son équipe ont reporté le premier exemple de couplage croisé de pivalates d’aryles 1.B34 avec des organozinciques par activation de la liaison C-O catalysée au nickel. Le groupement pivalate a été utilisé pour éviter l’attaque directe du partenaire nucléophile sur la fonction carbonyle. En raison de la réactivité importante des organozinciques par rapport aux dérivés borés, les réactions ont pu être conduites à des températures modérées (50–70 °C) par rapport aux couplages de Suzuki-Miyaura, réalisés généralement à haute température (80–110 °C). Cette méthode a été appliquée à une grande variété de pivalates de naphtyle électro-enrichis ou électro-déficients. Signalons que ce couplage est chimiosélectif vis-à-vis de chlorures et fluorures aromatiques, et la présence de groupements électro-attracteurs ou un encombrement stérique trop important sur le partenaire zincique inhibe la réaction de couplage. De plus, des pivalates vinyliques cycliques ou acycliques ont réagi avec le chlorure de phénylzinc pour fournir les dérivés styréniques correspondants 1.B35d et 1.B35e avec de bons rendements (Schéma 17).47

47

40 Schéma 17

1.4.4. Activation de liaisons C(sp

)-O d’éthers

Dans le cas des couplages croisés catalysés au nickel faisant intervenir des éthers aromatiques ou vinyliques, les dérivés d’éthers de méthyle (C(sp2)-OMe) sont les plus largement utilisés. Notons que d’autres types d’éthers ont été employés comme partenaires électrophiles tels que des éthers silylés, trifluorométhylés ou des éthers d’alkyle (alkyle différent de méthyle). Ceux-ci représentent généralement des exemples isolés et sont utilisés pour dresser un comparatif avec leurs homologues méthylés.

1.4.4.1. Couplage de Kumada

En 1979, Wenkert et son équipe ont reporté le premier exemple de couplage croisé catalysé au nickel de réactifs de Grignard avec des vinyléthers méthyliques et des méthoxyarènes, en présence de NiCl2(PPh3)2 comme catalyseur. Les éthers d’énols cycliques ou acycliques ont montré une grande

réactivité vis-à-vis du bromure de méthylmagnésium et du bromure de phénylmagnésium. En revanche, seul le réactif de Grignard aromatique s’est révélé efficace pour réaliser le couplage avec les aryléthers. Signalons également que la réaction réalisée à partir d’aryléthers benzéniques a conduit à des rendements faibles en produits arylés 1.B37e et 1.B37f, tandis que le 2-méthoxynaphtalène a été converti en 1.B37d avec un bon rendement de 77% (Schéma 18).48

48

41 Schéma 18

Par la suite, Wenkert et al. ont exploré un peu plus en détail le champ d’application du couplage de vinyléthers ou de méthoxyarènes avec des réactifs de Grignard. Les auteurs se sont notamment intéressés à la stéréochimie des oléfines obtenues à partir d’éthers d’énols méthyliques.49 Par exemple, le composé 1.B38 (E/Z = 57:43) a réagi avec PhMgBr et MeMgBr pour conduire au styrène 1.B39 (E/Z = 63:37) et à l’oléfine 1.B40 (E/Z = 58:42) avec des rendements respectifs de 79% et 70% (Schéma 19). Ces résultats préliminaires montrent que la configuration initiale de la double liaison est relativement bien conservée lors du couplage, avec une légère propension à la formation de l’isomère (E), thermodynamiquement plus stable.

Schéma 19

Signalons également que Wenkert et al. ont utilisé leurs conditions optimales (NiCl2(PPh3)2, benzène,

80 °C) pour préparer des oléfines polysubstituées par ouverture de cycle de dihydrofuranes, benzofuranes et dihydropyranes. En particulier, le traitement du dihydropyrane 1.B41 par PhMgBr et MeMgBr a conduit respectivement aux alcools 1.B42 (64%, E/Z = 5:95) et 1.B43 (73%, E/Z = 24:76) (Schéma 20). L’emploi de PhMgBr a permis la rétention quasi-complète de la configuration initiale de la double liaison, tandis qu’une inversion significative de la stéréochimie en faveur de l’isomère (E) a été observée à partir de MeMgBr.

49 _{a) Wenkert, E.; Michelotti, E. L.; Swindell, C. S.; Tingoli, M. J. Org. Chem. 1984, 49, 4894. b) Wenkert, E.;} Leftin, M. H.; Michelotti, E. L. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1984, 617.

42 Schéma 20

Concernant le couplage d’aryléthers, les travaux du groupe de Wenkert ont montré que les dérivés d’anisole étaient considérablement moins réactifs que leurs homologues naphtaléniques, disposant d’un système π plus étendu. Des résultats récents suggèrent que les couplages croisés catalysés au Ni de dérivés aromatiques pourraient faire intervenir la formation d’intermédiaires 1.B45/1.B46/1.B47 (complexes π de Ni(0) d’hapticité η2), obtenus par coordination du catalyseur métallique avec le système π de l’aromatique. Ceux-ci se formeraient plus facilement avec des systèmes π-étendus (i.e. polyaromatiques), dans la mesure où une partie de l’aromaticité serait conservée après formation du complexe, et faciliteraient ainsi l’addition oxydante du Ni dans la liaison C-X (Schéma 21).50 En raison de la faible réactivité de la liaison C-OMe, ce phénomène serait d’autant plus marqué dans le cas des éthers de méthyle aromatiques (X = OMe), par rapport à des composés halogénés ou des partenaires oxygénés plus réactifs (voir Figure 3).

Schéma 21

Il a fallu attendre le 21ème siècle et le développement de nouveaux systèmes catalytiques pour réaliser le couplage d’aryléthers non activés avec des réactifs de Grignard (Schéma 22). En 2004, Dankwardt a reporté l’utilisation des complexes NiCl2(PCy3)2, NiCl2(PhPCy2)2 ou NiCl2(PMe3)2 dans des

solvants éthérés pour préparer des biaryles 1.B50 à partir de dérivés de phénols 1.B49. Soulignons que cette méthode s’est avérée compatible avec des hétéroaryles (pyridine, imidazole, indole), et

50 _{Sélection d’exemples de réactions catalysées au nickel faisant intervenir la formation de complexes π de} Ni(0) : a) Yoshikai, N.; Matsuda, H.; Nakamura, E. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 15258. b) Li, T.; Garcia, J. J.; Brenessel, W. W.; Jones, W. D. Organometallics 2010, 29, 2430. c) Bryan, Z. J.; McNeil, A. J. Chem. Sci. 2013, 4, 1620. d) Sontag, S. K.; Bilbrey, J. A.; Huddleston, N. E.; Sheppard, G. E.; Allen, W. D.; Locklin, J. J. Org. Chem. 2014, 79, 1836.

43 des composés portant des alcools libres (Schéma 22, éq 1).51 En 2011, Wang et al. ont développé une série de phosphines monodentates riches en électrons et stériquement encombrées leur permettant de coupler des réactifs de Grignard aromatiques avec une grande variété d’(hétéro)aryléthers, mais également avec des vinyléthers qui se sont révélés particulièrement réactifs dans ces conditions (Schéma 22, éq 2).52 Enfin, le groupe de Nicasio a eu recours à un complexe de Ni(II) comportant un ligand NHC, substitué par des groupements aryles encombrés, pour réaliser l’arylation de dérivés d’anisole 1.B53 dans des conditions douces (THF, 60 °C) (Schéma 22, éq 3).53

Schéma 22

51

Dankwardt, J. W. Angew. Chem., Int. Ed. 2004, 43, 2428. 52 _{Xie, L. G.; Wang, Z.-X. Chem. Eur. J. 2011, 17, 4972.} 53

44 Depuis les travaux de Wenkert, différents systèmes catalytiques ont été développés pour réaliser l’arylation d’aryléthers ou vinyléthers par couplage de Kumada catalysé au nickel. Cependant, peu de méthodes ont été reportées pour l’alkylation et l’alcynylation de liaisons C(sp2)-O en utilisant des réactifs de Grignard.

En 2008, Shi et son équipe ont employé un complexe de Ni(II) classique, NiCl2(PCy3)2, pour réaliser la

méthylation d’aryléthers naphtaléniques et benzéniques. Le champ d’application est néanmoins limité à des composés aromatiques peu fonctionnalisés et à l’utilisation d’un unique réactif de Grignard (Schéma 23, éq 1).54 Chatani et al. ont, quant à eux, développé un système catalytique à base de Ni(OAc)2 et du ligand ICy.HCl, permettant d’élargir le champ d’application à différents

réactifs de Grignard aliphatiques et à des partenaires électrophiles variés. Les conditions de couplage développées par les auteurs se sont révélées compatibles avec divers groupements fonctionnels (amine, amide, alcool), ainsi qu’avec des hétéroaryles azotés (Schéma 23, éq 2).55 Néanmoins, l’emploi de réactifs de Grignard comportant des hydrogènes en β a conduit exclusivement au produit de réduction correspondant. Celui-ci provient d’une réaction de β-élimination à partir du complexe alkylnickel 1.B59, réaction favorisée par rapport à l’élimination réductrice. De plus, les auteurs insistent sur la capacité unique du ligand ICy (N-substitué par des groupements alkyles encombrants) à promouvoir cette réaction de couplage par rapport à d’autres ligands NHC ou à la tricyclohexylphosphine (PCy3).

Schéma 23

54 _{Guan, B.-T.; Xiang, S.-K.; Wu, T.; Sun, Z.-P.; Wang, B.-Q.; Zhao, K.-Q.; Shi, Z.-J. Chem. Commun. 2008, 1437.} 55

45 Très récemment, le groupe de Chatani a mis au point des conditions réactionnelles pour réaliser l’alkylation de dérivés de phénols avec des réactifs de Grignard β-hydrogénés, en minimisant la réaction secondaire de β-élimination. Les auteurs ont utilisé pour cela une phosphine bidentate encombrée et riche en électrons comme ligand (dcype), en présence d’un complexe de Ni(0) (Ni(cod)2), et soulignent l’importance cruciale de la nature de l’atome d’halogène sur le réactif de

Grignard. En effet, les alkylmagnésiens iodés (RMgI) se sont montrés beaucoup plus réactifs que leurs homologues bromés et chlorés (Schéma 24).56

Schéma 24

Une unique publication reporte l’alcynylation d’aryléthers par activation de la liaison C-O catalysée au nickel. Chatani et son équipe ont ainsi utilisé le complexe Ni(cod)2, en présence du ligand ICy.HCl,

pour réaliser le couplage d’une grande variété de méthoxyarènes 1.B62 avec l’acétylure de magnésium 1.B63, protégé par un groupement triisopropylsilyle (TIPS) (Schéma 25).57 Signalons que la présence de groupements protecteurs autres que le TIPS s’est révélée rédhibitoire sur le succès du couplage (phényle, hexyle, triéthylsilyle). De plus, le groupe TIPS est facilement clivable (TBAF/H2O)

et permet de générer des alcynes terminaux, intermédiaires polyvalents pouvant être utilisés par la suite dans des couplages de Sonogashira par exemple.

56 _{Tobisu, M.; Takahira, T.; Morioka, T.; Chatani, N. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 6711.} 57

46 Schéma 25

1.4.4.2. Couplage de Suzuki-Miyaura

En 2007, le groupe de Chatani a exploré le couplage croisé d’éthers aromatiques avec des organoboroniques, dans la mesure où ces partenaires nucléophiles sont moins réactifs que les réactifs de Grignard et devraient permettre une plus grande chimiosélectivité.58 Dans un premier temps, un système catalytique Ni(cod)2/PCy3 a été utilisé pour réaliser le couplage de différents

éthers aromatiques 1.B65 présentant des fonctionnalités électrophiles, tels que des cétones ou des esters, avec des esters boroniques (Schéma 26).59 Le champ d’application est cependant limité à des systèmes polyaromatiques (naphtalènes et anthracènes), et le couplage nécessite l’utilisation d’un sel de fluorure en large excès (4,5 équiv) pour activer l’ester boronique. De plus, de façon analogue aux travaux effectués sur le couplage de Kumada, le choix du ligand s’est avéré crucial pour promouvoir le couplage. L’emploi de phosphines monodentates autres que PCy3, de phosphines

bidentates ou du ligand NHC IPr.HCl a conduit à des rendements nuls ou faibles en produit de couplage.

Schéma 26

58 _{Miyaura, N. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2008, 81, 1535.} 59