Modulation rédox d’insertions de nitrènes dans des liaisons C(sp3)-H catalysées au rhodium – CHamRhOx
Les électrons au service d’une catalyse plus éco-responsable pour la synthèse d’amines
Nous envisageons de concevoir de nouveaux complexes de dirhodium(II) dans le but de développer une amination intermoléculaire plus efficace et, par la suite, énantiosélective de liaisons C(sp3)-H dans le contexte de la chimie durable. Notre approche s'appuiera sur une étude mécanistique sous l'angle du design des catalyseurs, et de l'influence des propriétés électroniques des ligands sur leur efficacité, leur sélectivité et leur stabilité.
Amination intermoléculaire de liaisons C(sp3)-H plus éco-responsable, par la conception de nouveaux catalyseurs de dirhodium(II).
La transformation directe de liaisons C-H en liaisons C-N est un domaine de recherche intense car, en tant que réaction à économie d’atomes, elle rend plus efficace la synthèse de molécules azotées complexes dont les applications sont multiples tant dans les sciences de la vie que pour la chimie fine. Dans ce contexte, le transfert de nitrènes catalysé par le rhodium est rapidement devenu une méthode de choix pour obtenir des amines.<br /><br />Les nitrènes sont des composés azotés ne possédant que 6 électrons de valence, et de ce fait très réactifs. Par conséquent, alors que l'insertion intramoléculaire catalytique des nitrènes se produit avec de très bons niveaux de régio-, chimio- et énantiosélectivité, l'amination C(sp3)-H intermoléculaire sélective reste un défi, en particulier pour les composés possédant des doubles liaisons, pour lesquels l'amination C-H est en compétition avec une réaction sur ces doubles liaisons. En outre, même si la génération classique de métallanitrènes avec un oxydant à l’iode hypervalent est très efficace, elle peut induire une décomposition du catalyseur et n’est pas optimale en matière d’économie d’atomes avec la production de quantités stœchiométriques de PhI.<br /><br />La gamme de catalyseurs disponibles est assez limitée et le complexe Rh2(esp)2 fait partie des rares catalyseurs stables et efficaces pour les aminations intermoléculaires par insertion de nitrènes. Récemment, deux groupes de recherche ont révélé la coexistence d'un mécanisme de type PCET (transfert couplé d'électrons et de protons) dans la version intermoléculaire, qui peut fonctionner sans l'oxydant habituel à l’iode hypervalent. Il a également été démontré que la valeur du potentiel redox du complexe de dirhodium est très importante pour le déroulement des réactions. Cependant, ce nouveau mécanisme recèle de nombreuses zones d’ombre qu’il est nécessaire d’explorer pour mieux maitriser la réaction d’amination.<br /><br />Notre stratégie repose sur l'intégration de ligands ferrocényles redox-actifs au sein de complexes de rhodium, afin d’étudier le mécanisme de l'amination intermoléculaire, et mieux appréhender les questions d'efficacité, de chimiosélectivité et de stéréosélectivité. Nous ciblons de nouveaux complexes de dirhodium qui peuvent catalyser efficacement l'amination intermoléculaire de substrats difficiles et nous fournir des informations mécanistiques précieuses. Les questions auxquelles nous essayons de répondre actuellement sont les suivantes :<br /><br />- Le mécanisme PCET dit « alternatif », qui ne nécessite pas d'oxydants à l’iode hypervalent, est-il vraiment efficace pour ces réactions d'amination C-H intermoléculaires ? Dans quelles conditions ?<br />- Quel sera le complexe ligand/dirhodium le plus approprié pour explorer une plus large gamme de substrats dans cette réaction intermoléculaire, pour des transformations stéréosélectives ?
Le projet a été découpé en plusieurs tâches réparties chez les deux partenaires en fonction de leurs expertises respectives.
La tâche dédiée à la synthèse et caractérisation par électrochimie des ligands redox-actifs ferrocéniques, attribuée au partenaire 1 au LCC, est menée à bien par un doctorant. La chimie de coordination de ces ligands ferrocéniques sur le dirhodium(II) est également effectuée dans l’équipe du partenaire 1.
Les études catalytiques menées dans les conditions « classiques » avec l’iode hypervalent ou selon le mécanisme PCET, avec les différents complexes de dirhodium(II), sont menées par le partenaire 2 à l’ICSN. Un doctorant étudie l’efficacité de nouveaux précurseurs de nitrènes et complexes de dirhodium(II) pour des réactions d’amination intermoléculaires sélectives pour chaque classe spécifique de liaisons C(sp3)-H. L’évaluation de l’efficacité et de la stabilité des nouveaux catalyseurs ferrocéniques dans ces mêmes réactions est également prévue.
Les études sur le mécanisme PCET (et sa réinterprétation) sont menées conjointement par les deux partenaires : par la voie électrochimique au LCC, et par la voie chimique à l’ICSN. Différents paramètres sont systématiquement évalués : nature du catalyseur, nature du sulfamate comme source azotée et précurseur de nitrène, solvant, type de base, potentiel redox appliqué au système.
Au cours de ces 24 premiers mois :
Le mécanisme alternatif d’amination C-H sans iode hypervalent, décrit par un groupe de recherche en 2011, a été remis en question. En effet, nous avons constaté que les hypothèses avancées dans cette publication se basaient sur des résultats partiels et/ou mal interprétés. Une étude poussée de ce mécanisme de type PCET est en cours, où tous les paramètres sont systématiquement étudiés, afin de connaître la réelle viabilité du mécanisme.
Dans le cadre de l’étude du mécanisme PCET mentionnée ci-dessus, nous avons montré que l’amination C-H intermoléculaire de l’éthylbenzène se produisait sans dirhodium(II), mais en présence d’un sel de cérium(IV). Les rendements sont faibles mais une étude préliminaire d’optimisation de la réaction a été initiée. La réaction va être étudiée de manière plus systématique, dans le cadre d’un projet de Master 2 en 2022.
La synthèse d’une série de 10 complexes de dirhodium(II) hétéroleptiques ferrocéniques a été réalisée. Ils ont été caractérisés par électrochimie et sont actuellement évalués en catalyse.
La fonctionnalisation sélective de liaisons C(sp3)-H tertiaires au sein d’alcanes et de molécules fonctionnelles a été réalisée avec succès en choisissant un catalyseur au dirhodium(II) adapté.
L’évaluation des nouveaux complexes de dirhodium(II) à ligands ferrocéniques en catalyse d’amination C-H intermoléculaire va être réalisée. Les conditions « classiques » (iode hypervalent) et alternatives (PCET, autres) seront testées afin d’évaluer la stabilité des complexes en fonction du ligand et donc de l’électrophilie du centre métallique.
L’étude de réactions d’amination C-H stéréosélectives sans iode hypervalent pour la formation d’hétérocycles azotés est en cours de développement à l’ICSN en combinant la chimie des N-haloamines et la catalyse photoredox.
La synthèse de ligands chiraux à partir d’une unité ferrocénique est envisagée si le temps le permet.
En préparation : « Heteroleptic dirhodium(II) complexes with redox-active ferrocenyl ligands: synthesis, electrochemical properties and redox-controlled catalysis », I. Ruzhylo, A. Sournia-Saquet, A. Labande, et al. invitation à EJIC, soumission Novembre 2021.
Illia RUZHYLO, Junio GUIMARAES, Eric MANOURY, Rinaldo POLI, Agnès LABANDE and Philippe DAUBAN, “Investigation of mechanistic regimes in dirhodium-catalyzed C-H amination”, CEHC-1 (Cutting-Edge Homogeneous Catalysis, International Workshop, Toulouse 4 May 2021). Communication orale.
Illia RUZHYLO, Junio GUIMARAES, Eric MANOURY, Rinaldo POLI, Agnès LABANDE and Philippe DAUBAN, « Study of one-electron mechanistic regime in dirhodium-catalyzed C-H amination”, Journées de Chimie de Coordination de la SCF, Paris, 23-24 Septembre 2021. Flash poster.
La conversion de liaisons C-H en liaisons C-N par insertion de nitrènes est une réaction à économie d’atomes permettant un accès rapide à des molécules à haute valeur ajoutée pour la chimie du vivant et la chimie fine. Les complexes de dirhodium sont parmi les meilleurs catalyseurs de la réaction d’amination d’alcanes par cette voie, malgré la recherche de solutions alternatives avec des métaux de transition plus abondants. Alors que l’insertion intramoléculaire de nitrènes catalysée au rhodium se produit avec de très bons niveaux de régio- et de chimiosélectivité, la version intermoléculaire représente encore un défi à cause de sélectivité et réactivité difficiles à contrôler. La conception de catalyseurs chiraux capables d’induire de bonnes énantiosélectivités dans des conditions oxydantes est aussi un challenge. Ce projet s’inscrit dans la perspective de relever ces défis avec l’incorporation de ligands ferrocéniques rédox-actifs dans des catalyseurs de dirhodium. Cette étude offrira de plus l’opportunité de mieux comprendre le mécanisme d’amination C-H intermoléculaire du point de vue du design des catalyseurs, et l’influence des propriétés électroniques des ligands sur l’efficacité et la sélectivité de ces catalyseurs. L’utilisation du ferrocène comme relais électronique permettra également d’utiliser des oxydants plus doux que les oxydants classiques à base d’iode hypervalent, et d’accéder à de nouveaux catalyseurs chiraux. Le projet CHamRhOx est avant tout de nature fondamentale, son but est de lever les verrous liés à la réaction d’amination C(sp3)-H intermoléculaire et d’étendre son domaine d’application. Il traite en particulier de problèmes liés au développement durable, puisqu’il associe l’utilisation de catalyse, idéalement asymétrique, et la volonté d’utiliser des oxydants plus compatibles avec l’environnement. Des résultats préliminaires, obtenus récemment par une des équipes du consortium, ont montré qu’un complexe de dirhodium possédant un ligand ferrocénique peut effectuer une réaction d’amination C-H intermoléculaire, en gardant la même diastéréosélectivité que le complexe de référence sans ferrocène. Le projet inclut de la synthèse, de la chimie de coordination, des études analytiques et une importante étude en catalyse d’amination C-H.
Coordination du projet
Agnès Labande (LABORATOIRE DE CHIMIE DE COORDINATION)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenaire
LCC LABORATOIRE DE CHIMIE DE COORDINATION
ICSN Institut de Chimie des Substances Naturelles
Aide de l'ANR 360 439 euros
Début et durée du projet scientifique :
octobre 2019
- 48 Mois
