Nouvelle structure BINOL-Maléimide. Applications en catalyse d'oxydation asymétrique

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catalyse d’oxydation asymétrique

Simon Brenet

To cite this version:

Simon Brenet. Nouvelle structure BINOL-Maléimide. Applications en catalyse d’oxydation

asymétrique. Catalyse. Université de Grenoble, 2013. Français. �NNT : 2013GRENV050�. �tel-

01347792�

Université Joseph Fourier / Université Pierre Mendès France / Université Stendhal / Université de Savoie / Grenoble INP

THÈSE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE

Spécialité : CHIMIE ORGANIQUE

Arrêté ministériel : 7 août 2006

Présentée par

Simon BRENET

Thèse dirigée par Dr. Jacques EINHORN et codirigée par Dr. Florian BERTHIOL

Préparée au sein du Département de Chimie Moléculaire dans l'École Doctorale Chimie et Sciences du Vivant

Nouvelle structure BINOL- Maléimide. Applications en

catalyse d’oxydation asymétrique

Thèse soutenue publiquement le 18 Novembre 2013, devant le jury composé de :

Dr. Vincent LEVACHER

Directeur de Recherche, Université de Rouen, Rapporteur

Pr. Stéphane QUIDEAU

Professeur, Université de Bordeaux, Rapporteur

Pr. Bruno ANDRIOLETTI

Professeur, Université Claude Bernard – Lyon 1, Examinateur

Dr. Martine DEMEUNYNCK

Directrice de Recherche, Université de Grenoble, Examinateur

Dr. Jacques EINHORN

Directeur de Recherche, Université de Grenoble, Examinateur

Dr. Florian BERTHIOL

Chargé de Recherche, Université de Grenoble, Examinateur

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Université Joseph Fourier / Université Pierre Mendès France / Université Stendhal / Université de Savoie / Grenoble INP

THÈSE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE

Spécialité : CHIMIE ORGANIQUE

Arrêté ministériel : 7 août 2006

Présentée par

Simon BRENET

Thèse dirigée par Dr. Jacques EINHORN et codirigée par Dr. Florian BERTHIOL

Préparée au sein du Département de Chimie Moléculaire dans l'École Doctorale Chimie et Sciences du Vivant

Nouvelle structure BINOL- Maléimide. Applications en

catalyse d’oxydation asymétrique

Thèse soutenue publiquement le 18 Novembre 2013, devant le jury composé de :

Dr. Vincent LEVACHER

Directeur de Recherche, Université de Rouen, Rapporteur

Pr. Stéphane QUIDEAU

Professeur, Université de Bordeaux, Rapporteur

Pr. Bruno ANDRIOLETTI

Professeur, Université Claude Bernard – Lyon 1, Examinateur

Dr. Martine DEMEUNYNCK

Directrice de Recherche, Université de Grenoble, Examinateur

Dr. Jacques EINHORN

Directeur de Recherche, Université de Grenoble, Examinateur

Dr. Florian BERTHIOL

Chargé de Recherche, Université de Grenoble, Examinateur

v Ayez le courage de suivre votre coeur et votre intuition. L’un et l’autre savent ce que vous voulez réellement devenir. Le reste est secondaire.

Steve Jobs.

vi

vii

Remerciements

Je tiens à remercier chaleureusement le Pr. Stéphane Quideau ainsi que le Dr. Vincent Levacher pour avoir accepté de faire partie de ce jury de thèse en qualité de rapporteurs de ce manuscrit, de même que le Dr. Bruno Andrioletti, en qualité d’examinateur, et le Dr. Martine Demeunynck qui en a été la présidente.

Je remercie à nouveau le Dr. Martine Demeunynck d’avoir accepté de faire partie de mon comité de suivi de thèse en compagnie du Dr. Amaury d’Hardemare. Votre aide, votre vision et vos conseils m’ont été précieux.

Je remercie l’université de Grenoble-Alpes pour l’octroi de mon financement sans lequel il n’aurait pas été possible d’effectuer cette thèse, ainsi que le service doctoral pour la formation, l’initiation et l’insertion professionnelle pour m’avoir permis de réaliser près de deux-cent heures d’enseignement au cours de ma thèse. Cela a été à tous points de vue une expérience plus qu’enrichissante.

Je remercie toutes les personnes avec lesquelles j’ai eu l’opportunité de travailler en collaboration dans le cadre de cet enseignement, en particulier les équipes pédagogiques des unités d’enseignement de SCI 121 et de CHI 231 avec lesquelles les échanges furent fructueux. J’ai beaucoup appris à leur contact.

Je remercie extrêmement chaleureusement les Dr. Jacques Einhorn et Florian Berthiol pour m’avoir accepté au sein de leur équipe et m’avoir fait confiance. Votre direction et votre encadrement m’ont permis d’apprendre à voir à long terme et d’être rigoureux dans ma démarche tant scientifique que personnelle ; qualités qui dépassent le simple cadre de la gestion d’un projet. Je tiens également à vous remercier de votre présence et de votre disponibilité malgré parfois des responsabilités chronophages, qualités trop rares pour ne pas être soulignées. J’ai eu de la chance de vous avoir en tant qu’encadrants.

J’adresse ma sincère reconnaissance aux personnels techniques et administratifs du

Département de Chimie Moléculaire. Cette thèse n’aurait pu avoir lieu sans eux. En

particulier, je tiens à remercier Béatrice Gennaro pour son aide avec la RMN et sa gestion

plus qu’efficace du parc RMN du laboratoire. Les Dr. Christian Philouze et Benoit Baptiste

ont permis d’avoir de superbes structures cristallographiques, c’est toujours un plaisir d’en

viii

avoir sous les yeux. Martine Fayolle et Solange Ginier-Gillet ont réalisé les analyses élémentaires, résultats absolument nécessaires en vue de publier, cette thèse n’aurait pas été aussi rigoureuse sans votre travail. Je tiens également à vous remercier tous très chaleureusement de votre disponibilité pour discuter, c’est extrêmement appréciable et cela permet d’avancer rapidement.

Martine, merci pour ton aide à la synthèse. Cela a été inestimable, notamment pendant la rédaction de cette thèse. J’ai été ravi de voir que ce projet continuait pendant cette période, cela m’a permis de garder ma motivation tout au long de la rédaction. Je suis plus que reconnaissant de ton aide et de ta sympathie, j’ai été à nouveau ravi de travailler avec toi.

Ce travail n’aurait également pu se faire sans l’aide d’Axel, Coralie et Clémentine avec qui j’ai eu l’opportunité de travailler et qui ont fait un boulot remarquable.

Je tiens à remercier l’équipe du café de dix heures à savoir Martine, Béatrice, Jean-Pierre, Kévin et Pierre-Marc Léo pour toutes les discussions que l’on a eues, les bons moments partagés.

Je remercie le plus chaleureusement possible les doctorants que j’ai eu l’opportunité de rencontrer et avec lesquels les discussions furent… passionnées pour le moins. Jérôme ‘la délicatesse incarnée’, Fred (je pourrais maintenant dire que j’ai rencontré le l’homme le plus cultivé de France et de Navarre), Emilien toujours zen et Rémi dont la sympathie n’a d’égale que son obstination, vous me manquerez.

Aude, ma marguerite, tes pétales ne se déploient qu’au bout d’un moment mais après cela, quel lys ! Marta, qui amène continuellement un brin de Soleil catalan et Jubo (pardon : Julien, j’ai du mal avec Julien je sais pas pourquoi…), j’ai passé des moments excellents avec vous.

Sans oublier Lorène, Pauline, Audrey, Charlie et Evelyne !

Morgane, merci pour ta bonne humeur continuelle et ta joie de vivre, l’Histoire se souviendra du 12 Février 2014, j’en suis sûr ;-). Antoine et Raphaël, ce fut un plaisir de vous rencontrer en cette froide journée de Décembre, j’ai passé d’excellentes soirées avec vous.

Je tiens à remercier mes parents qui m’ont toujours soutenu dans ma démarche et qui m’ont

également permis d’en arriver là. Ces lignes représentent mine de rien l’aboutissement d’un

long projet, d’un fort investissement dans mes études et je n’aurais pu faire un tel parcours

ix sans vous. Vous m’avez donné les moyens tant pour en arriver là que pour réussir ma vie.

Merci.

Sophie, Gilles, si j’en suis arrivé là c’est aussi grâce à vous. Vous êtes parmi les personnes en qui j’ai la plus totale confiance.

Ces remerciements ne seraient pas complets sans y inclure ma compagne, Eva. Ton engagement et ta foi en moi depuis ce 2 Avril 2010 signifient énormément pour moi. Tu m’as soutenu dans les moments difficiles mais nous avons également passé des instants merveilleux. A l’heure où j’écris ces lignes, je peux dire que j’ai passé bientôt trois années exceptionnelles à tes côtés. Ensemble, nous accomplirons nos rêves.

Cette thèse t’est dédiée. ! '"#"$%.

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1. Mise en contexte 27

1.1. Les oxydation asymétriques catalysées 27

1.2. Le problème de l’oxygène moléculaire 29

1.3. Utilisation de l’oxygène en oxydation aérobie asymétrique 31

2. Caractéristiques du NHPI 33

2.1. Caractéristiques structurales du NHPI reliées à son rôle d’activation de liaisons C-H 34

2.2. Mécanisme de l’oxydation aérobie par NHPI 37

3. Utilisation du NHPI en tant qu’organocatalyseur d’oxydation aérobie 39

4. Analogues du NHPI 43

5. Analogues chiraux du NHPI 47

5.1. Première génération de catalyseurs chiraux 47

5.2. Seconde génération de catalyseurs chiraux : analogues chiraux naphtaléniques de symétrie C

49

6. Conclusion 53

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1. Présentation de la stratégie 57

1.1. Les précédentes voies de synthèse de catalyseurs énantiopurs 57

1.2. Présentation de la nouvelle stratégie de synthèse 61

2. Synthèse et étude du cœur des catalyseurs : condensation d’un BINOL avec un maléimide 65

2.1. Etude d’une réaction modèle : condensation d’un maléimide avec un catéchol 66

2.1.1. Premiers essais 66

2.1.2. Couplage oxygène-carbone pallado catalysé 68

2.2. Synthèse du squelette BINOL-maléimide (BiMal) par couplage O-C palladocatalysé 71

2.2.1. Optimisation des conditions réactionnelles 71

2.2.2 Proposition de mécanisme pour la réduction du maléimide en succinimide 74

2.3. Synthèse du BiMal par double addition 1-4 78

2.4. Etude de la stéréochimie des BiMal 82

2.5. Essai de fonctionnalisation 84

xii

3. Conclusion 85

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1. Optimisation des conditions d’oxydation aérobie 89

2. Fonctionnalisation par couplage de Suzuki 93

3. Essais d’oxydation aérobie asymétrique 95

3.1. Synthèse des isochromanones substituées 95

3.2. Oxydation aérobie asymétrique 97

3.2.1. Des isochromanes substitués 97

3.2.2. D’alcools silylés et d’oxazolidines 98

3.3. Conclusion sur les premiers essais d’oxydation aérobie asymétriques 100

4.1. Essais de couplages C-N catalysés 103

4.2. Essais d’amination réductrice 104

4.3. Essais de couplages de Suzuki 105

4.4. Fonctionnalisation par couplages de Negishi puis couplage de type peptidique 108

4.4.1. Couplage de Negishi 108

4.4.2. Fonctionnalisation poussée par couplage de type peptidique 109

5. Conclusion 112

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1. Les réactifs iodés hypervalents 118

1.1. Présentation 118

1.2. Aspects mécanistiques 119

2. Développement des catalyseurs achiraux à base d’iode hypervalent 121

3. Réactifs et catalyseurs chiraux à base d’iode hypervalent 124

3.1. Les premiers réactifs chiraux 124

3.2. Catalyseurs chiraux à base d’iode hypervalent 126

3.2.1. Système catalytique de Kita 126

3.2.2. Système catalytique de Quideau 127

3.2.3. Systèmes catalytiques d’Ishihara 127

3.2.4. Système catalytique de Volp 129

3.3. Bilan des catalyseurs chiraux à base d’iode hypervalent 130

xiii

3. Réaction d’!-oxytosylation de cétones 131

3.1. Vue d’ensemble 131

3.2. Réactions d’!-oxytosylation asymétriques 133

3.3. Mécanisme de l’!-oxytosylation de cétones 136

3.4. Bilan des réactions d’!-oxytosylation de cétones 139

4. Conclusion 139

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1. Première série de catalyseurs : hydronaphtoquinones fonctionnalisées 144

1.1. Synthèse 144

1.2. Evaluation des propriétés catalytiques de la première série de catalyseurs 146

2.1. Evaluation des propriétés catalytiques de maléimides simples 149

2.2. Introduction d’un nouveau point de fonctionnalisation 150

2.2.1. Synthèse des catalyseurs 150

2.2.2. Evaluation des propriétés catalytiques de la deuxième série de catalyseurs 154

2.3. Evaluation des conditions réactionnelles 156

2.3.1. L’influence du solvant 156

2.3.2. Etude de la vitesse de formation des produits d’oxytosylation et de Baeyer-Villiger 158

2.3.3. Etude de l’influence du substrat 161

3. Synthèse et études de la troisième série de catalyseurs 164

3.1. Synthèse de la troisième série de catalyseurs 166

3.2. Etude des propriétés catalytiques de la troisième série de catalyseurs 168

4. Conclusion 170

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/1./$!4/"#-7).-$#) +??!

General 179

Chapter 2 180

Synthesis of maleimides 180

Synthesis of BINOL moieties 182

General procedure for palladium couplings 185

Condensation of various biphenols with dihalomaleimides 187

xiv

Chapter 3 193

Functionnalisation by Palladium Couplings 193

Aerobic oxidations 206

Chapter 5 208

First Series of Hypervalent Iodine Based Catalysts 208

Second Series of Hypervalent Iodine Based Catalysts 214

Third Series of Hypervalent Iodine Based Catalysts 228

General procedure for the !- oxytosylation of ketones 234

Données cristallographiques de 104d 237

6!67!%8$-.,!/) *@?!

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xv

Abréviations

Ac = Acétyle AcO = Acétate

Ac

O = Anhydride acétique AIBN = !,!'-Azoisobyronitrile All = Allyle

Alloc = Allyloxycarbonyle Ar = Aryle

atm = Atmosphère

ATR = Réflexion totale atténuée 9-BBN = 9-Borabicyclononane

BDE = Energie de dissociation de liaison

BINAP = 2,2'-Bis(diphénylphosphino)-1,1'-binaphthyle BINOL = 1,1’-bi-2-naphtol

Bn = Benzyle

Boc = tert-Butoxycarbonyle BOM = Benzyloxyméthyle

BTI = bis(trifluoroacétoxy)iodo]benzène Bu ou n-Bu = n-Butyle

s-Bu ou sBu = sec-Butyle t-Bu ou tBu = tert-Butyle Bz = Benzoyle

Bzl = Benzyle

CAN = Nitrate de cerium et d’ammonium Cat. = Catalyseur

CBS = Corey-Bashki-Shibat Cbz = Benzyloxycarbonyl

CCM = Chromatographie sur couche mince

CLHP = Chromatographie liquide à haute pression Cod = Cyclooctadiène

Conv. = Conversion Cp = Cyclopentadienyle

CPG = Chromatograhie en phase gazeuse

18-crown-6 = 1,4,7,10,13,16-Héxaoxacyclooctadecane CSA = Acide camphorsulphonique

DAST = Trifluorure de diéthylaminosulphure dba = Dibenzylidèneacétone

DBAD = Di-tert-butyle azodicarboxylate

DBN = 1,5-Diazabicyclo[4.3.0]non-5-ène

DBU = 1,8-Diazabicyclo[5.4.0]undec-7-ène

DCC = 1,3-Dicyclohéxylcarbodiimide

DCM = Dichlorométhane

xvi

DDQ = 2,3-Dichloro-5,6-dicyano-1,4-benzoquinone DEAD = Diéthyle azodicarboxylate

DHP = Dihydropirane DHQD = Dihydroquinidine DIB = Diacétoxyiodobenzène

DIBAL = Hydrure de diisobutylaluminium DIBAL-H = Hydrure de diisobutylaluminium DIC = Diisopropylcarbodiimide

DIPEA = Diisopropyléthylamine DMA = N,N-Diméthylacétamide DMAC = N,N-Diméthylacétamide DMAP = 4-Diméthylaminopyridine DMDO = 2,2-diméthyldioxirane DME = 1,2-Diméthoxyéthane DMF = N,N-Diméthylformamide DMP = Periodinane de Dess-Martin

DMPU = 1,3-Diméthyl-3,4,5,6-tétrahydro-2(1H)-pirimidone DMS = Diméthylsulphide

DMSO = Diméthylsulphoxide DPA = Diisopropylamine

DPPA = Azoture de diphénylphosphoryle dppb = 1,4-bis(diphénylphosphino)butane dppe = 1,2-bis(diphénylphosphino)éthane dppm = Bis(diphénylphosphino)méthane dppp = 1,3-bis(diphénylphosphino)propane

EDC = Hydrochlorure de 1-éthyl-3-(3-diméthylaminopropyl)carbodiimide EDCI = Hydrochlorure de 1 éthyl-3-(3-diméthylaminopropyl)carbodiimide EDTA = Acide éthylènediamineacétique

Ee = Excès énantiomérique EE = Ethoxyéthyle

EOM = Ethoxyméthyle éq. = Equivalent

ESI = Ionisation par électrospray Et

O = Diéthyle éther

FMOC = 9-Fluorénylméthoxycarbonyle GC = Chromatograhie en phase gazeuse HMDS = Héxaméthyldisilazane

HMPA = Héxaméthylphosphoramide HMPT = Héxaméthylphosphorous triamide HOAt = 7-Aza-1-hydroxybenzotriazole HOBt = 1-Hydroxybenzotriazole

HPLC = Chromatographie liquide à haute pression

HRMS = Spectrométrie de masse à haute résolution

xvii HTIB = [hydroxy(tosyloxy)iodo]benzène

IBX = Acide 2-iodoxybenzoïque IPA = Isopropanol

Im = Imidazole init. = Initiateur

KDA = Diisopropylamidure de potassium

KHMDS = Bis(triméthylsilyl)amidure de potassium LAH = Hydrure de lithium aluminium

LDA = Diisopropylamidure de lithium

LiHMDS = Bis(triméthylsilyl)amidure de lithium LRMS = Spectrométrie de masse à basse résolution m-CPBA = acide méta-chloroperoxybenzoique Me = Méthyle

MEM = 2-Méthoxyéthoxyméthyle MOM = Méthoxyméthyle

MPM = p-Méthoxybenzyle MS = tamis moléculaire Ms = Méthanesulphonyle

MTBE = Méthyle tert-butyle éther MTM = Méthylthiométhyle

NaHMDS = Bis(triméthylsilyl)amidure de sodium NAPI = N-Hydroxyacétoxyphtalimide

NBS = N-Bromosuccinimide NCS = N-Chlorosuccinimide

NDHPI = N,N'-dihydroxypyromellitimide

NHDAP = N-Hydroxydiphénylacénaphtophtalimide NHDPPI = N-Hydroxy-3,6-diphénylphtalimide NHNPI = N-Hydroxynaphtalimide

NHPI = N-Hydroxyphtalimide

NHTPPI = N-Hydroxytétraphénylphtalimide NIS = N-Iodosuccinimide

NMM = N-Méthylmorpholine

NMO = N-Méthylmorpholine-N-oxide NMP = N-Méthylpyrrolidone

Ns = p-Nitrophénylsulphonyle PDC = Pyridinium dichlorochromate PCC = Pyridinium chlorochromate Ph = Phényle

PID = Diacétoxyiodobenzène PIDA = Diacétoxyiodobenzène

PIFA = [Bis(trifluoroacétoxy)iodo]benzène PINO = Phtalimide-N-Oxyle

Piv = Pivaloyle, 2,2-diméthylacétyle

xviii

PMB = p-Méthoxybenzyle PMP = p-Méthoxyphényle ppm = partie par million Pr = n-Propyle

Pr = Propyle

i-Pr ou iPr = iso-propyle

PTC = Catalyseur par transfert de phase PTSA = Acide p-Toluènesulphonique Pv = Pivaloyle, 2,2-diméthylacétyle Py = Pyridine

Rdt. = Rendement Réf. = Référence

Red-Al® = Sodium bis(2-méthoxyéthoxy)aluminium hydride SEM = 2-(Triméthylsilyl)éthoxyméthyle

ta = Température ambiante

TBAB = Bromure de tétrabutylammonium TBACl = Chlorure de tétrabutylammonium TBAF = Fluorure de tétrabutylammonium TBAI = Iodure de tétrabutylammonium TBDMS = tert-Butyldiméthylsilyle TBDPS = tert-Butyldiphénylsilyle TBHP = tert-Butylhydroperoxyde TBS = tert-Butyldiméthylsilyle TCDI = Thiocarbonyle diimidazole TEA = Triéthylamine

TES = Triéthylsilyle TESH = Triéthylsilane

Tf = Trifluorométhanesulfonyle TfO = Trifluorométhanesulfonate

Tf

O = Anhydride Trifluorométhanesulfonique TfOH = Acide Trifluorométhanesulfonique TFA = Acide Trifluoroacétique

TFAA = Anhydride trifluoroacétique Thexyle = 2,3-diméthyl-2-butyle THF = Tétrahydrofurane

THICA = Acide N,N',N''trihydroxyisocyanurique THP = Tétrahydropyranyle

TIPS = Triisopropylsilyle

TLC = Chromatographie sur couche mince

TMEDA = N,N,N',N'-Tétraméthyléthylènediamine TMS = Triméthylsilyle

TMS = Tétraméthylsilane

Tol = p-Toluyle

xix o-Tol = o-Toluyle

TPAP = Tétra-n-propylammonium pérruthenate TPS = Tripropylsilyle

TPPINO = Tétraphénylphtalimide-N-oxyle Tr = Trityl, triphénylméthyle

Troc = 2,2,2-Trichloroéthoxycarbonyle Trt = Trityle, triphénylméthyle

Ts = p-Toluènesulphonyle

p-TsOH = Acide p-toluènesulphonique

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23 L’une des spécialités de la chimie organique concerne la méthodologie de synthèse qui s’intéresse à la découverte puis l’étude de nouvelles réactions. Les contraintes économiques et environnementales ainsi que la possibilité de mieux contrôler les réactions font que l’emploi de catalyseurs est aujourd’hui prépondérant. Cela constitue une force motrice pour leur utilisation dans ce processus de découverte de réactions.

Il devient dans un deuxième temps intéressant – voire inévitable dans le cas de réactions importantes – de les améliorer, que ce soit par leur rendement, leur température réactionnelle ou encore leur sélectivité… La structure du catalyseur a une importance fondamentale dans le contrôle d’une réaction, sa modification entraine souvent des changements significatifs. La découverte et le développement de nouveaux catalyseurs ou plus sommairement catalyst design en anglais constituent une part importante de l’amélioration de ces réactions.

Un cas d’école parmi d’autres est représenté par les catalyseurs d’hydrogénation asymétrique : depuis leur découverte en 1956,

nous arrivons aujourd’hui à des systèmes catalytiques suffisamment performants pour être utilisés industriellement à l’échelle de la ppm.

Ces améliorations sont dues à un long et intense travail de synthèse et d’étude de ligands asymétriques par différents groupes de recherche afin de comprendre ce qui gouverne leur énantiosélectivité, stabilité et réactivité.

En 1995, le N-hydroxyphtalimide (NHPI) est utilisé pour la première fois en tant que catalyseur d’oxydation. Ces oxydations représentent une avancée notable dans le sens où elles sont réalisées par activation C-H avec l’oxygène en tant qu’oxydant stoechiométrique mais ce catalyseur très simple souffre néanmoins d’un manque d’efficacité lorsque des quantités importantes sont mises en jeu. Notre groupe travaille sur le développement d’analogues du NHPI plus stables et plus réactifs. Une partie de notre travail concerne également l’étude d’analogues chiraux du NHPI, montrant que ces réactions peuvent également être asymétriques. Mais comme tous catalyseurs, si efficaces soient-ils dans un cas donné, ils montrent là encore des limitations.

Ce travail de thèse s’inscrit dans la continuité de ces recherches. Nous présenterons dans un premier chapitre l’état de l’art des oxydations asymétriques aérobies catalysées par le NHPI et ses analogues. Les deuxième et troisième chapitres seront consacrés à la synthèse et l’étude

1 Akabori, S.; Sakurai, S.; Izumi, Y.; Fujii, Y. Nature 1956, 178, 323–324.

2 Blaser, H. U.; Spindler, F.; Studer, M. Appl. Catal. Gen. 2001, 221, 119–143.

24

d’une nouvelle structure de catalyseur afin de surpasser les limitations intrinsèques à la précédente génération de catalyseurs.

Au cours de cette thèse, la synthèse d’une structure asymétrique portant des iodures d’aryle

nous a poussé à étudier ses capacités de catalyse énantiosélective dans un domaine en plein

essor depuis 2005 : l’oxydation par des catalyseurs à base d’iode hypervalent. Notre objectif a

été de mettre à profit nos compétences en matière de développement de catalyseurs dans un

domaine dont la chimie est extrêmement riche et le potentiel important. Dès lors, nous avons

entrepris l’étude de plusieurs séries de catalyseurs. Le quatrième chapitre décrit l’état de l’art

de la catalyse à l’iode hypervalent, le cinquième et dernier chapitre étant quant à lui dévolu à

la présentation de nos premiers résultats dans ce nouveau domaine.

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27

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Beaucoup de composés d’intérêt issus de la synthèse organique, du simple acide adipique utilisé dans la synthèse du nylon aux anticancéreux les plus complexes, proviennent de l’oxydation de molécules hydrogénocarbonées plus simples. Les molécules biologiquement actives représentent une classe importante de ces composés d’intérêt puisqu’elles donnent accès aux médicaments et produits agrochimiques, elles ont donc un rôle primordial pour la santé et l’économie moderne. Une manière élégante de les obtenir consiste à les synthétiser au moyen (entre autres) d’oxydations asymétriques catalysées qui présentent l’avantage de pouvoir introduire le ou les élément(s) stéréogène(s) ainsi que la fonction oxydée en une étape grâce à un catalyseur chiral.

Les travaux de Sharpless sur l’époxydation,

la dihydroxylation,

et l’aminohydroxylation

asymétriques ont été utilisés dans de nombreuses synthèses totales ainsi que dans des synthèses industrielles.

Il en est de même pour l’époxydation asymétrique de Jacobsen- Katsuki.

Ces travaux sont le fruit d’un intense travail de design de ligands et continuent d’inspirer la communauté des chimistes pour la conception de nouveaux catalyseurs d’oxydation asymétrique.

Nous observons par ailleurs depuis maintenant plusieurs années une volonté de réduire l’impact environnemental des réactions chimiques.

Cela est particulièrement vrai dans le cas des oxydations qui sont des réactions omniprésentes et emploient souvent des métaux lourds

3 a) Katsuki, T.; Sharpless, K. B. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 5974–5976. b) Xia, Q.-H.; Ge, H.-Q.; Ye, C.-P.; Liu, Z.-M.;

Su, K.-X. Chem. Rev. 2005, 105, 1603–1662

4 Kolb, H. C.; VanNieuwenhze, M. S.; Sharpless, K. B. Chem. Rev. 1994, 94, 2483–2547.

5 a) Sharpless, K. B.; Patrick, D. W.; Truesdale, L. K.; Biller, S. A. J. Am. Chem. Soc. 1975, 97, 2305–2307. b) Bodkin, J. A.;

McLeod, M. D. J. Chem. Soc. Perkin trans 1, 2002, 2733–2746.

6 Farina, V.; Reeves, J. T.; Senanayake, C. H.; Song, J. J. Chem. Rev. 2006, 106, 2734–2793.

7 a) Jacobsen, E. N.; Zhang, W.; Muci, A. R.; Ecker, J. R.; Deng, L. J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 7063–7064. b) Linker, T.

Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1997, 36, 2060–2062.

8 a) Sanderson, K. Nat. News 2011, 469, 18–20. b) Sheldon, R. A. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 1437–1451.

28

(osmium, chrome…) et/ou rejettent des quantités importantes de déchets. De nombreux groupes de recherche développent des procédés catalytiques d’oxydation asymétrique dans une optique de développement durable afin que ceux-ci soient viables d’un point de vue économique, notamment à un niveau industriel. En plus du choix du catalyseur utilisant un métal plus ou moins abondant et toxique, ou bien n’utilisant pas de métal, le choix de l’oxydant stœchiométrique revête également une grande importance. Le tableau 1-1 résume les différents agents utilisables pour une époxydation asymétrique en fonction de leur contenu en oxygène actif, c’est à dire du rapport massique de l’oxygène contenu dans la fonction époxyde du produit et de la masse moléculaire de l’oxydant de départ.

Tableau 1-1. Oxydants utilisés dans les époxydations catalysées par des métaux de transition, avec leur contenu en oxygène actif.

L’utilisation de l’oxygène permet de limiter énormément les déchets de réaction puisqu’on retrouve 50 % de l’oxydant de départ dans le produit final lorsque l’oxydation s’effectue en présence d’un co-réducteur, et 100 % dans certains cas si les deux atomes d’oxygène sont incorporés dans le produit final. Le peroxyde d’hydrogène est également attractif puisqu’on retrouve 47 % de sa masse dans le produit final mais il nécessite d’être synthétisé et coûte donc plus cher. Les autres oxydants sont immédiatement moins intéressants car leur pourcentage massique d’oxygène contenu diminue fortement, résultant en une formation de déchets importante dont il faut alors se débarrasser.

9 Hans Adolfson, Transition Metal-catalyzed Epoxidation of Alkenes in Modern Oxidation Methods ; Wiley-VCH, Weinhein, 2004; p 22.

Oxydant Contenu en oxygène actif (%m)

Produit de déchet

Dioxygène 100 ou 50 Aucun ou H

O

H

O

47 H

O

NaOCl 21,6 NaCl

CH

CO

H 21,1 CH

CO

H

tBuOOH (TBHP) 17,8 tBuOH

KHSO

10,5 KHSO

Peroxyde de bistriméthylsylile

9 Hexaméthyldisiloxane

PhIO 7,3 PhI

29 Les oxydants sont décrits dans le tableau 1-1 pour une réaction d’époxydation asymétrique mais nous retrouvons ces réactifs dans d’autres réactions d’oxydation avec les mêmes problèmes de génération importante de déchets. L’oxygène est utilisé dans certains procédés industriels tels que le procédé Wacker pour la production d’acide acétique ou bien la production d’acide téréphtalique

qui ne peuvent se permettre de générer des quantités importantes de déchets. Son utilisation reste néanmoins peu fréquente. Pourquoi l’oxygène moléculaire n’est-il pas plus utilisé dans les oxydations ?

+0*0) 7E)TPHUSVNE)LE)S<HJKWVFE)NHSOGRSMCPE)

L’oxygène moléculaire se présente sous sa forme la plus stable à l’état triplet et paramagnétique que l’on peut noter

O-O

(figure 1-1). La structure prédite par la représentation de Lewis existe également à l’état singulet diamagnétique dont l’énergie est supérieure de 22 kcal/mol. Cet état singulet est instable : son temps de demi-vie à température et pression ambiante est de l’ordre de l’heure à l’état gazeux et de la nanoseconde en solution.

Figure 1-1. Diagramme orbitalaire des états triplet (gauche) et singulet (droite) de l’oxygène moléculaire.

10 Pour une revue sur divers procédés industriels utilisant l’oxygène moléculaire avec une emphase spéciale sur la production d’acide téréphtalique : Tomás, R. A. F.; Bordado, J. C. M.; Gomes, J. F. P. Chem. Rev. 2013. DOI : 10.1021/cr300298j.

11 Schweitzer, C.; Schmidt, R. Chem. Rev. 2003, 103, 1685–1758.

12 http://www.chem.wisc.edu/areas/reich/chem547/2-redox%7B24%7D.htm

30

L’état fondamental triplet réagit rapidement avec un autre réactif à l’état doublet (radicalaire) mais non avec une espèce à l’état singulet (ce que sont la grande majorité des molécules) en accord avec les règles de Wigner.

Cela a pour conséquence pratique le fait qu’utiliser l’oxygène moléculaire en tant qu’oxydant stœchiométrique nécessite d’activer l’oxygène lui- même. Cela peut être fait en l’excitant à son état singulet ou en l’activant grâce à des complexes de métaux de transition. Une deuxième solution consiste en l’activation du substrat lui-même, le faisant ainsi changer de multiplicité de spin afin qu’il puisse réagir avec l’oxygène triplet dans des conditions relativement douces.

La chimie de l’oxygène à l’état singulet est bien connue et de nombreuses revues en traitent,

sa réactivité ne sera pas abordée ici. L’oxygène triplet quant à lui est impliqué dans de nombreuses réactions d’oxydation spontanées. A haute température (>250 °C), l’oxydation d’hydrocarbures par rupture homolytique des liaisons C-H est exergonique et est appelée combustion. L’énergie libérée est alors utilisée, par exemple sous forme de travail dans les moteurs à explosion. A température ambiante cette réaction est beaucoup plus difficile et implique souvent une activation par irradiation lumineuse. Ce processus est appelé autoxydation et est notamment responsable de la dégradation des produits de la vie courante (oxydation des aliments, plastiques…) sous l’effet de l’oxygène et est accélérée par l’irradiation lumineuse du Soleil. L’addition d’antioxydants ou l’obscurité permet d’empêcher cette autoxydation. A l’inverse, nous pouvons chercher à la provoquer en utilisant des initiateurs radicalaires. Le mécanisme est alors le suivant :

R H Init.

R

R + O O R OO

R OO + R H R OOH + R

R OO + R OO R OO OO R ROH ou R O

Initiation

Propagation

Terminaison

R OO + R R OO R

Schéma 1-1. Autoxydation avec un initiateur.

Le radical R

réagit avec l’oxygène très rapidement pour former un radical péroxyle R-OO

qui arrache à son tour un hydrogène de R-H. Le nouveau radical R

poursuit alors la phase de

13 Verhoeven, J. W. Pure Appl. Chem. 1996, 68, 2223–2286.

14 a) Clennan, E. L. Tetrahedron 2000, 56, 9151–9179. b) Cf Réf. 10 et références citées.

31 propagation tandis que le produit hydropéroxyde subit généralement une réaction de décomposotion pour donner des composés d’intérêt (alcools ou carbonyles). Cette réaction d’autoxydation demande généralement des températures assez élevées et est peu sélective. Ce problème est caractéristique de l’emploi de l’oxygène en tant qu’oxydant stœchiométrique de par la faible sélectivité de la réaction d’autoxydation mais également à cause des sous- produits de réduction de l’oxygène. L’un d’eux est le peroxyde d’hydrogène qui peut réaliser des réactions secondaires par lui-même mais également subir une rupture homolytique pour former le radical hydroxyle très instable qui créera d’autres réactions secondaires. Enfin, l’utilisation de l’oxygène moléculaire implique sa réduction par 4 électrons, or le substrat n’en fourni généralement que deux, ce qui signifie qu’un co-réducteur doit être employé dans ces cas-là, augmentant ainsi la complexité de la réaction et la quantité de déchets. C’est la raison pour laquelle l’emploi du peroxyde d’hydrogène en tant qu’oxydant stœchiométrique est souvent préféré.

En résumé, l’oxygène moléculaire représenterait l’oxydant idéal d’un point de vue d’économie d’atome mais reste difficile à contrôler. Réaliser ces oxydations de manière asymétrique rajoute encore un problème de contrôle et de sélectivité. La plupart des réactions asymétriques n’emploient donc pas l’oxygène bien que nous assistions depuis une quinzaine d’années à la volonté d’effectuer ces oxydations en conditions aérobies.

+0;0) 'ICSCDMICHF)LE)S<HJKWVFE)EF)HJKLMICHF)MOPHUCE)MDKNOIPCQRE)

Beaucoup de métallo-enzymes peuvent réaliser des oxydations asymétriques hautement énantiosélectives avec de hauts rendements mais bénéficient d’étapes de transfert de protons et d’électrons sophistiquées, développées au cours de l’évolution naturelle. Le développement d’un catalyseur d’oxydation asymétrique aérobie sans système de transfert de proton et d’électron compliqué - ce qui simplifierait énormément sa synthèse

– stable en conditions aérobie et contrôlant suffisamment bien l’oxygène et ses sous-produits, est par conséquent difficile.

Plusieurs systèmes catalytiques ont néanmoins été développés. Krief proposa en 1999 la première dihydroxylation asymétrique de Sharpless en conditions aérobies (schéma 1-

15 Roduner, E.; Kaim, W.; Sarkar, B.; Urlacher, V. B.; Pleiss, J.; Gläser, R.; Einicke, W.-D.; Sprenger, G. A.; Beifuß, U.;

Klemm, E.; Liebner, C.; Hieronymus, H.; Hsu, S.-F.; Plietker, B.; Laschat, S. ChemCatChem 2013, 5, 82–112.

16 Tanaka, H.; Nishikawa, H.; Uchida, T.; Katsuki, T. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 12034–12041.

32

2) où, du fait de l’incapacité du dioxygène triplet ou singulet à réoxyder l’osmium (IV) en osmium (VIII), il utilise un sélénide en tant que cocatalyseur.

1,25 mol% K₂[OsO₂(OH)₄] 2,3 mol% (DHQD)₂PHAL

30 mol% K₂CO₃ t-BuOH/H₂O, 20 °C 8 mol% PhSeCH2Ph 0,3 mol% Rose Bengale

1 bar O₂, hv, 24 h

OH OH

Schéma 1-2. Dihydroxylation asymétrique de Sharpless en conditions aérobies.

Beller montra la même année qu’il était possible d’améliorer encore ce système en effectuant ces mêmes oxydations à 50 °C et à pH 10,4, ce qui permit de supprimer l’utilisation du cocatalyseur en notant néanmoins une légère baisse de la sélectivité due à la température plus élevée.

Mukaiyama proposa en 1993

un catalyseur d’époxydation asymétrique aérobie basé sur le système de Jacobsen. Ce système continue en 2010 à faire l’objet d’études mécanistiques et d’améliorations des conditions réactionnelles.

Stoltz a réalisé le dédoublement cinétique aérobie d’alcools benzyliques en présence de palladium et de spartéine.

Cette découverte est considérée rétrospectivement comme une avancée majeure dans le domaine de l’oxydation asymétrique aérobie du fait des excès énantiomériques remarquablement élevés et du palladium employé pour la première fois dans une oxydation asymétrique aérobie.

Cette méthode souffre cependant du fait que seul l’énantiomère (-) de la spartéine est facilement disponible ce qui représente clairement une limitation pour qu’elle soit couramment employée. Ikariya proposa en 2008 une amélioration des conditions réactionnelles en utilisant un catalyseur à l’iridium à 30 °C.

Ar R

OH

Ar R

O

Ar R

+ OH Pd(nbd)Cl₂, (-)-spartéine

TM 3 A, O₂, toluène, 80 °C

Schéma 1-3. Dédoublement cinétique d’alcools par le système de Stoltz.

17 Krief, A.; Colaux-Castillo, C. Tetrahedron Lett. 1999, 40, 4189–4192.

18 a) Döbler, C.; Mehltretter, G.; Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed. 1999, 38, 3026–3028. b) Döbler, C.; Mehltretter, G. M.;

Sundermeier, U.; Beller, M. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 10289–10297.

19 Mukaiyama, T.; Yamada, T.; Nagata, T.; Imagawa, K. Chem. Lett. 1993, 22, 327–330.

20 Voir réf. 16 et références citées.

21 Ferreira, E. M.; Stoltz, B. M. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 7725–7726.

22 Wills, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 4264–4267.

23 Arita, S.; Koike, T.; Kayaki, Y.; Ikariya, T. Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 2447–2449.

1 2

3 4 5

33 A notre connaissance, les recherches sur l’oxydation asymétrique aérobie se concentrent sur l’amélioration des conditions réactionnelles des réactions présentées ici : la dihydroxylation, l’époxydation et le dédoublement cinétique d’alcools. Tous ces systèmes catalytiques fonctionnent grâce à un métal qui active l’oxygène. Comme écrit plus haut, une deuxième solution consiste non pas à activer l’oxygène mais au contraire à activer le substrat qui réagira alors avec l’oxygène triplet. Dans cette optique, un catalyseur se détache : le N- hydroxyphtalimide (NHPI).

*0) ) (MPMGIOPCDICQRED)LR)",.!)

Le N-hydroxyphtalimide (NHPI) 6 a été découvert il y a 35 ans et est utilisé en oxydation aérobie depuis les années 1990. Il est en réalité le précurseur du catalyseur réel : la forme active phtalimide-N-oxyle (PINO) 7 dont le rôle consiste à accélérer l’étape d’arrachement d’un hydrogène sur un substrat hydrogénocarboné.

N O

O

OH N

O

O O

NHPI PINO

Schéma 1-4. Structure du NHPI et de sa forme active PINO

Ce catalyseur d’oxydation aérobie présente trois avantages qui seront explicités par la suite :

• Il permet l’oxydation par activation C-H et formation d’un radical. La plupart des méthodes d’oxydation nécessite la présence d’une fonction qui est oxydée (alcool, alcène…) mais il faut alors synthétiser cette fonction. Cela peut représenter une à plusieurs étapes supplémentaires de synthèse dont on pourrait se passer si l’oxydation était faite directement sur une fonction C-H.

• Nous avons vu que les radicaux réagissent très facilement avec le dioxygène, le NHPI permet donc une oxydation aérobie par activation C-H. Cela implique également que le NHPI ne souffre pas d’empoisonnement par le dioxygène et est d’une manière générale relativement stable dans des conditions aérobies, au contraire de nombreux

6 7

34

métaux. Enfin, il ne nécessite pas de co-réducteur

limitant ainsi grandement les sous- produits de réaction, même comparé à d’autres systèmes d’oxydation aérobie comme celui de Gif développé par Barton.

• C’est un organocatalyseur. Dans un contexte où le prix des métaux de transition augmente, certains comme ceux de l’or, du rhodium ou du platine étant particulièrement prohibitifs, et où il est nécessaire de retraiter les déchets métalliques souvent très polluants (chrome, osmium, plomb…), il devient intéressant de chercher de nouvelles méthodes d’oxydation sans métal ou utilisant des métaux moins polluants.

*0+0) (MPMGIOPCDICQRED)DIPRGIRPMSED)LR)",.!)PESCOED)X)DHF)PYSE)L<MGICZMICHF)LE) SCMCDHFD)([,)

Le rôle principal du NHPI étant d’activer le substrat à oxyder directement à partir d’une liaison C-H, il convient de s’intéresser aux valeurs des énergies de dissociation de liaison ou bond dissociation energies (BDE). En 2003 Minisci et Espenson rapportent des valeurs de BDE déterminées par RPE pour diverses hydroxylamines substituées.

24 Barton, D. H. R.; Doller, D. Acc. Chem. Res. 1992, 25, 504–512.

35

Substrat BDE

(kcal/mol)

Réf. Substrat Méthode/

solvant

BDE (kcal/mol)

Réf .

N OH tBu

tBu

1 68,1

N O

O OH

5 RPE

tBuOH

88,1±0,6

N OH

2 69,6

6 RPE

AcOH

89,7±2

3 69,9

7 RPE

CH

CN

88,1

Ph O N iPr

OH

4 81,3

8 DFT

(phase gazeuse)

81,2

9 G3B3 (phase gazeuse)

83,4±0,1

Tableau 1-2. Energies de dissociation des liaisons O-H de diverses hydroxylamines Les valeurs de BDE sont de l’ordre de 68 à 70 kcal/mol pour des hydroxylamines sans groupement carbonyle porté par l’azote (entrées 1 à 3). Un seul groupement carbonyle permet d’augmenter la BDE à 81,3 kcal/mol (entrée 4) et deux groupements carbonyles comme sur le NHPI permettent d’avoir une BDE de l’ordre 88 à 89 kcal/mol. Trois facteurs viennent expliquer cette augmentation des BDE pour le NHPI. Les formes mésomères de résonnance 6 et 11 ainsi qu’une liaison hydrogène entre le groupement hydroxyle et un carbonyle comme indiqué sur 12 semblent augmenter la force de la liaison O-H et ainsi stabiliser les acylhydroxylamines.

N O

O

OH N

O

O

OH N

O

O O

H

25 Koshino, N.; Cai, Y.; Espenson, J. H. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 4262–4267.

26 Amorati, R.; Lucarini, M.; Mugnaini, V.; Pedulli, G. F.; Minisci, F.; Recupero, F.; Fontana, F.; Astolfi, P.; Greci, L. J. Org.

Chem. 2003, 68, 1747–1754.

27 Mahoney, L. R.; Mendenhall, G. D.; Ingold, K. U. J. Am. Chem. Soc. 1973, 95, 8610–8614.

28 Annunziatini, C.; Gerini, M. F.; Lanzalunga, O.; Lucarini, M. J. Org. Chem. 2004, 69, 3431–3438.

29 Hermans, I.; Jacobs, P.; Peeters, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2007, 9, 686–690.

30 Da Silva, G.; Bozzelli, J. W. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 5760–5765.

31 Recupero, F.; Punta, C. Chem. Rev. 2007, 107, 3800–3842.

8

6

9

10

6 11 12

36

Schéma 1-5. Formes de résonance du NHPI et liaison hydrogène intramoléculaire.

Le troisième facteur est une déstabilisation du radical nitroxyle par rapport à des hydroxylamines de type TEMPO. Le radical PINO présente une constante de couplage hyperfine en RPE dans le t-BuOH a

= 4,36 G,

faible en comparaison d’autres radicaux nitroxyles.

Le facteur g de PINO correspond par contre à g = 2,0073 ce qui est supérieur aux facteurs g couramment rencontrés pour d’autres radicaux nitroxyles, effet bien connu qui est relié à la présence de groupements acyles portés par l’azote. La diminution de la constante de couplage est expliquée par la redistribution de la densité de spin sur l’oxygène de la fonction nitroxyle de 7, due à la présence des charges partielles positives qui déstabilisent la forme de résonnance 13. Au contraire, les groupements électrodonneurs sur le radical TEMPO stabilisent 15, augmentant ainsi la densité de spin sur l’azote. On peut calculer la densité de spin par l’équation "

= a

(G)/33,1 G.

PINO avec une densité de spin sur l’azote de 0,13 est essentiellement un radical centré sur l’oxygène alors que la densité de spin sur l’azote pour TEMPO est de 0,46 dans le cyclohexane et 0,49 dans le méthanol.

N O

O

O N

O

O

O N

O

N O

Schéma 1-6. Formes de résonance des radicaux PINO et TEMPO.

Ces faits viennent expliquer une BDE relativement haute par rapport à d’autres radicaux nitroxyles de type TEMPO. Les BDE d’alcanes non activés (hydrocarbures saturés) sont de l’ordre de 95 à 105 kcal/mol alors que la présence d’un groupement activateur (insaturation ou hétéroatome) diminue ces BDE à 85-90 kcal/mol.

Le radical PINO présente une BDE de 88 kcal/mol et apparaît donc capable de l’abstraction d’un hydrogène en ! d’un groupement activateur et ainsi de catalyser des oxydations aérobies par activation C-H de manière régiosélective.

32 a) Jenkins, T. C.; Perkins, M. J.; Siew, N. P. Y. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1975, 880–881. b) Malatesta, V.; Ingold, K.

U. J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 3094–3098.

33 Chatgilialoglu, C.; Malatesta, V.; Ingold, K. U. J. Phys. Chem. 1980, 84, 3597–3599.

34 Aurich, H. G.; Hahn, K.; Stork, K.; Weiss, W. Tetrahedron 1977, 33, 969–975.

35 Brocks, J. J.; Beckhaus, H.-D.; Beckwith, A. L. J.; Rüchardt, C. J. Org. Chem. 1998, 63, 1935–1943.

#+

#+

13 14 15

7

37

*0*0) 4OGMFCDNE)LE)S<HJKLMICHF)MOPHUCE)TMP)",.!)

Plusieurs travaux et études cinétiques ont permis de proposer un mécanisme pour l’oxydation aérobie catalysée par le NHPI.

N O

O

OH N

O

O O

N O

O

O + R H + R

Init.

R + O O R OO

R OO + N R OOH +

O

O OH

N O

O OH

N O

O O

R OO + R OO R OO OO R ROH ou R O

R OO + R H R OOH + R

Initiation

Propagation

Terminaison

Réaction secondaire

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

N O + R N O R

Schéma 1-7. Mécanisme d’oxydation aérobie catalysée par NHPI.

Le radical PINO est généré au moyen d’un initiateur (équation 1, schéma 1-7). D’après les valeurs des BDE discutée ci-dessus, le radical PINO peut alors arracher un hydrogène d’un substrat R-H en fonction de la présence de groupements activateurs (équation 2). Celle-ci est dépendante de l’activation de la liaison C-H et est cinétiquement déterminante.

La vitesse de la réaction du radical R

avec le dioxygène (équation 3) est contrôlée par la diffusion du dioxygène dans le solvant. Le radical péroxyle formé arrache l’hydrogène du NHPI pour régénérer le catalyseur PINO (équation 4). Les réactions de terminaison interrompent la réaction en chaîne. Ce mécanisme revient en fait à catalyser la réaction d’autoxydation mais en en contrôlant la sélectivité.

Il peut arriver en fonction du substrat et des conditions réactionnelles que la réaction

secondaire d’autoxydation non catalysée (6) s’effectue en parallèle de la réaction catalysée

38

par le NHPI. Cela dépend des vitesses relatives d’abstraction des hydrogènes. Minisci a déterminé les constantes cinétiques relatives pour l’oxydation du cumène par le PINO, le radical t-Butylpéroxyle, et la formation de PINO par ce même radical.

+ PINO

k₁ = 3,22 M^-1.s^-1

+ NHPI

NHPI + tBuOO PINO + tBuOOH

+

k₃ = 0,22 M^-1.s^-1

tBuOO + tBuOOH

k₂ = 7,2.10³ M^-1.s^-1

Schéma 1-8. Cinétiques relatives lors de l’oxydation du cumène par les radicaux PINO et tBuOO

.

Nous pouvons constater que la vitesse d’abstraction d’un hydrogène par PINO est environ 15 fois plus rapide (k

$ 15k

) que par un radical péroxyle, ce qui inhibe la réaction d’autoxydation si l’on utilise un contrôle cinétique de la réaction. La régénération du radical PINO est également très rapide (k

= 7,2.10

M

.s

), ce qui empêche l’accumulation de radical péroxyle et participe également à l’inhibition de la réaction d’autoxydation et de terminaison. Sheldon qualifie pour cette raison le NHPI de « Carbon Radical Chain Promoter (CRCP) ».

Ces différences de vitesse de réaction sont la raison pour laquelle l’autoxydation non catalysée est habituellement minoritaire voire inexistante.

Le radical PINO souffre cependant d’un problème de stabilité. Masui observa dans les années 1980 la formation du trimère 20 lorsque le radical PINO était formé par électrolyse.

Le mécanisme suivant a été proposé suite à des études cinétiques.

N O

O

O N

O

O

O PINO

N O O

O O

N O

O

PINO -NO

O O

O N O

O O

N O

O

36 Sheldon, R. A.; Arends, I. W. C. E. J. Mol. Catal. Chem. 2006, 251, 200–214.

37 Ueda, C.; Noyama, M.; Ohmori, H.; Masui, M. Chem. Pharm. Bull. 1987, 35, 1372–1377.

16

16

17

17

7 18 19 20

39 Schéma 1-9. Dégradation de PINO.

Il semblerait que cette réaction passe par une cinétique du premier ordre,

l’étape limitante serait donc la rupture homolytique de la liaison C-N. Le trimère 20 obtenu est stable, sa formation est une réaction secondaire importante et explique les quantités importantes de catalyseur généralement utilisées comme nous le verrons par la suite. La régénération du NHPI à partir de celui-ci demanderait plusieurs étapes de synthèse et est clairement une limitation dans une optique de recyclage du catalyseur.

;0) ) 'ICSCDMICHF) LR) ",.!) EF) IMFI) QR<HPWMFHGMIMSKDERP) L<HJKLMICHF)MOPHUCE)

C’est en 1995 qu’Ishii décrivit pour la première fois l’utilisation du NHPI en tant que catalyseur d’oxydation aérobie sur diverses positions benzyliques.

Par la suite, de nombreuses études ont succédé à ce premier résultat, notamment par le groupe d’Ishii afin d’étudier la portée du NHPI en tant que catalyseur d’oxydation aérobie.

Nous n’en présenterons ici qu’une sélection.

L’une des premières applications du NHPI a été l’oxydation du cyclohexane en acide adipique, précurseur du nylon-6,6, afin de remplacer le procédé de synthèse encore utilisé aujourd’hui. Ce procédé implique l’oxydation du cyclohexane en un mélange de cyclohexanol et cyclohexanone 22 appelé KA-oil (« keton/alcohol oil »). La première étape s’effectue avec une conversion faible afin de conserver une sélectivité au dessus de 80 %, puis une seconde oxydation du mélange KA-oil par de l’acide nitrique en présence de catalyseurs métalliques permet d’avoir l’acide adipique 23. Ce procédé à lui seul est responsable de 5 à 8 % des émissions d’oxydes d’azotes dans l’atmosphère, gaz à fort effet de serre.

38 Ishii, Y.; Nakayama, K.; Takeno, M.; Sakaguchi, S.; Iwahama, T.; Nishiyama, Y. J. Org. Chem. 1995, 60, 3934–3935.

39 Pour deux revues concernant l’utilisation de NHPI en oxydation aérobie catalysée : Ishii, Y.; Sakagush, S. Modern Oxidation Methods Wyley-VCH, 2004, pp. 119-153. Réf. 26 (chem rev).

40 Sato, K.; Masao, A.; Ryoji, N. Science 1998, 281, 1646–1647.

40

O +

OH

COOH COOH

"KA oil"

O₂, cat. Conv. 6% HNO₃, cat.

+ H₂O + N₂O NO NO₂

Schéma 1-10. Procédé actuel de synthèse de l’acide adipique.

L’utilisation du NHPI permet d’obtenir l’acide adipique en une étape et sans émission de gaz à effet de serre. On recense de nombreux brevets et publications, notamment par Ishii à partir de 1996.

O

COOH + COOH NHPI

Initiateur O₂

Schéma 1-11. Synthèse de l’acide adipique par catalyse au NHPI.

Entrée Co- catalyseur

Conditions Conversion Sélectivité cétone

Sélectivité acide adipique

Réf

1 Co(OAc)

0,5 mol%

O

1 bar CH

CN 75 °C, 6h

13 % 78 % 13 %

2 Co(OAc)

0,5 mol%

O

1 bar AcOH 100 °C, 6h

45 % 32 % 38 %

3 Mn(acac)

1 mol%

O

1 bar AcOH 100 °C, 20h

73 % traces 73 %

4 Co(OAc)

0,5 mol%

Mn(acac)

1 mol%

O

1 bar AcOH 80 °C, 24h

63 % traces 69 %

41 Ishii, Y.; Iwahama, T.; Sakaguchi, S.; Nakayama, K.; Nishiyama, Y. J. Org. Chem. 1996, 61, 4520–4526.

42 Ishii, Y.; Sakaguchi, S.; Iwahama, T. Adv. Synth. Catal. 2001, 343, 393–427.

43 Iwahama, T.; Syojyo, K.; Sakaguchi, S.; Ishii, Y. Org. Process Res. Dev. 1998, 2, 255–260.

21

22

23

21 23

41

5 O-Phen

2,5 mol%

Br

3 mol%

O

3 bars CH

CN/CCl

100 °C, 5h

48 % 22 % 75 %

Tableau 1-3. Résultats des différents systèmes développés pour l’oxydation du cyclohexane en acide adipique.

On peut obtenir après optimisation des conditions et notamment du co-catalyseur métallique l’acide adipique avec une conversion bien meilleure que dans le cas du procédé industriel actuel et avec une sélectivité intéressante de l’ordre de 70 % (entrées 3 et 4). Notons également les conditions originales et efficaces de Xu (entrée 5) qui permettent d’obtenir l’acide adipique avec une conversion de 48 % et une sélectivité de 75 % sans aucun métal avec un initiateur à base d’ortho-phénantroline et de dibrome.

Des températures relativement élevées sont nécessaires pour l’oxydation de liaisons C-H non activées. Au contraire, la présence d’hétéroatomes ou de groupements insaturés permet d’abaisser significativement la BDE de liaisons C-H adjacentes. Le toluène est par exemple oxydé en acide benzoïque avec une excellente sélectivité et une très bonne conversion.

L’application de conditions plus drastiques (la première oxydation créé un groupement électroattracteur qui désactive la deuxième position à oxyder) permet l’oxydation du xylène en acide téréphtalique, précurseur de nombreux polymères tels que le PET.

NHPI 10 mol%

Co(OAc)₂ O₂ 1 bar AcOH, 25 °C, 20h

Conv. 84 %

CHO COOH

+

96 % 4 %

NHPI 20 mol%

Co(acac)₂ 0,5 mol%

Mn(OAc)₂ 0,5 mol%

O₂ (30 bars) AcOH, 150 °C, 3h

COOH

COOH ortho 73 % méta 86 % para 84 %

Schéma 1-12. Oxydation du toluène et du xylène en acide benzoïque et acide téréphtalique.

Jiao rapporte en 2012 une nouvelle méthode de coupure oxydante d’alcènes en conditions aérobie en sans métal.

Le mécanisme proposé présente l’addition du radical PINO sur la double liaison, réaction avec le dioxygène puis régénération de PINO par formation d’un dioxétane qui subit alors une coupure thermique pour donner la cétone attendue.

44 Tong, X.; Xu, J.; Miao, H. Adv. Synth. Catal. 2005, 347, 1953–1957.

45 Lin, R.; Chen, F.; Jiao, N. Org. Lett. 2012, 14, 4158–4161.

24 25 26 27

28

42

NHPI 10 mol% O

DMAC, O₂ 1 bar, 80 °C, 24h

PINO O

O

80 %

Schéma 1-13. Coupure oxydante d’alcène catalysée par NHPI.

Le même groupe présente en 2013 une nouvelle méthode d’hydroxylation de liaison C

-H par un mécanisme radicalaire, catalysée par le palladium avec le NHPI en tant que co- catalyseur.

N N

OH PdCl₂ 5 mol%

NHPI 10 mol%

O₂ 1 bar, toluène, 100 °C, 15h

87 %

Schéma 1-14. Hydroxylation de liaison C

-H pallado-catalysée avec le NHPI comme co- catalyseur.

Nous avons vu à travers quelques exemples l’intérêt du NHPI en tant que catalyseur d’oxydation aérobie. Il permet en effet d’oxyder des liaisons C-H sous des conditions souvent douces (hors substrats peu réactifs) : une atmosphère de dioxygène, températures modérées, quelques heures de temps de réaction. Les solvants utilisés sont habituellement polaires principalement à cause de la mauvaise solubilité du NHPI dans des solvants à faible polarité.

Depuis maintenant une quinzaine d’années les recherches se concentrent sur l’optimisation des conditions réactionnelles pour améliorer le procédé afin à terme de le rendre viable industriellement. L’un des avantages du NHPI dans cette optique est d’être un organocatalyseur. Si les recherches se sont au début concentrées sur une initiation et une co- catalyse métallique, certains groupes s’orientent vers des procédés totalement non- métalliques

offrant une alternative potentielle aux catalyseurs métalliques d’oxydation actuels.

46 Yan, Y.; Feng, P.; Zheng, Q.-Z.; Liang, Y.-F.; Lu, J.-F.; Cui, Y.; Jiao, N. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 5827–5831.

47 a) Marcadal-Abbadi, C., Radicaux organiques et catalyse : nouveaux systèmes d’oxydation d’alcanes activés – Synthèse et mise en œuvre de N-Hydroxy-imides chiraux, Thèse Université Joseph Fourier : Grenoble 1998. b) Melone, L.; Gambarotti, C.; Prosperini, S.; Pastori, N.; Recupero, F.; Punta, C. Adv. Synth. Catal. 2011, 353, 147–154. c) Réf 43.

29 30 31

32 33